Правила трассировки печатной платы: ширина дорожек, расстояние и выбор производителя, которые имеют значение

Каждая фрезерованная плата, которую мы видим на нашем заводе, рассказывает историю о решениях, принятых до ее появления. Схема определяет электрическую функцию, но маршрутизация решает, можно ли изготовить эту функцию по разумной цене, в реалистичные сроки и с достаточным запасом, чтобы выдержать годы жары, вибрации и напряжения. По нашему опыту производителей печатных плат, большинство предотвратимых производственных проблем — сгоревших дорожек, неправильных зазоров, деформированных панелей, плохого покрытия — связаны с несколькими правилами разводки, которые были либо пропущены, либо неправильно поняты. В этой статье объясняется, что на самом деле включает в себя маршрутизация печатной платы, какие параметры наиболее важны и как установить ограничения маршрутизации, которые завод может создать без каких-либо споров.

Что на самом деле включает в себя маршрутизация печатной платы

Маршрутизация — это этап компоновки, на котором каждая электрическая сеть на схеме становится физическим медным путем. Программное обеспечение может рисовать эти пути автоматически, но результат будет настолько хорош, насколько хороши ограничения, предусмотренные проектировщиком: ширина дорожки, расстояние между проводниками, разрешенные слои, типы переходных отверстий и распределение меди, которое будет наблюдаться в процессе травления и нанесения покрытия.

Маршрут также создает наземные опорные плоскости, силовые острова и тепловые пути, которые позволяют проекту работать в реальном мире. Размещение компонентов определяет, где будут располагаться детали; маршрутизация решает, как они соединяются. Между этими двумя параметрами трассировка оказывает большее влияние на производственные затраты и выпуск продукции, поскольку геометрия дорожек и баланс меди напрямую влияют на то, как на заводе происходит травление, пластины и ламинирование панели.

Ширина трассы: первое решение о маршруте

Ширина дорожки — это первое число, которое необходимо установить, поскольку она отвечает сразу трем требованиям: допустимая нагрузка по току, падение напряжения и характеристическое сопротивление. Следы сигнала могут быть тонкими; силовые сети нуждаются в поперечном сечении. На большинстве заводов используется стандарт IPC-2221. Для меди толщиной 1 унция (35 мкм) на внешнем слое при повышении температуры на 10°C расчетная токовая емкость примерно следующая.

На практике имеют значение две поправки. Трассы на внутренних слоях рассеивают примерно вдвое меньше тепла, чем внешние трассы, поэтому номиналы текущей таблицы следует соответствующим образом снизить. И эти значения предполагают умеренное повышение температуры на 10°C; если окружающий корпус блокирует поток воздуха или температура окружающей среды высокая, безопасный ток падает еще больше. Если конструкция должна выдерживать устойчивый большой ток, в трассе следует использовать медную заливку, плоскость или более толстый медный слой, а не одну узкую дорожку. Наша линия регулярно обрабатывает медные платы толщиной от 2 до 10 унций, и таблицы ширины дорожки для этого веса сильно отличаются от значений в 1 унцию, приведенных выше.

Зазор и расстояние: устанавливайте их для напряжения, а не только для проверки правил проектирования

Зазор — это расстояние между двумя медными элементами: дорожка до дорожки, дорожка до контактной площадки, контактная площадка до переходного отверстия. Проверка правил проектирования проверит любое число, введенное в инструмент САПР, но правильное число зависит от напряжения, целостности сигнала и заводских возможностей, а не от правила по умолчанию. Для низковольтных сигнальных сетей внутри закрытого изделия обычно расстояние между дорожками составляет 0,1 мм (4 мил); наша стандартная емкость составляет 4 мил, и мы можем удерживать трассу и пространство 3 мил там, где этого требует расчетная плотность.

Клиренс не должен быть единой глобальной величиной. Рабочее напряжение, степень загрязнения, покрытие, высота над уровнем моря и переходные напряжения — все это влияет на путь утечки, необходимый для продукта. IPC-2221B содержит таблицы зависимости расстояния от напряжения, которые используют инженеры по соблюдению нормативных требований; Как правило, любая цепь с напряжением более 50 В или любая дорожка, проложенная вблизи края платы, должны использовать значительно больший зазор, чем правило проектирования по умолчанию.

Для высокоскоростных сигналов расстояние контролирует как связь, так и импеданс. Согласованная дифференциальная пара сохраняет целевой импеданс только тогда, когда зазор между двумя дорожками остается постоянным, а опорная плоскость под ней имеет большее значение, чем значение абсолютного зазора. Для радиочастотных цепей дорожка сопротивлением 50 Ом определяется ее шириной, толщиной диэлектрика и расстоянием до заземляющего слоя под ней.

Стек слоев: плотность маршрутизации влияет на стоимость и время выполнения заказа

Количество слоев — это самое важное решение по маршрутизации, принимаемое при проектировании. Если два слоя могут справиться с такой плотностью, то шестислойный стек — это пустая трата денег. Если конструкция требует непрерывного питания и заземления, жесткого контроля импеданса или плотного разветвления BGA, стек увеличивается до четырех, шести или более слоев. Переход от двух слоев к четырем примерно удваивает стоимость процесса, поскольку к маршруту добавляются визуализация внутренних слоев, ламинирование, выравнивание и дополнительные этапы сверления. Сроки выполнения также растут вместе с количеством слоев. На нашем предприятии в зоне экономического развития Гуандэ опубликованные сроки производства в разбивке по слоям указаны ниже.

Маршрут устанавливает стек, а стек устанавливает дату доставки. Если проекту требуется только 12 слоев, поскольку внешние сигнальные слои используются плохо, более чистый четырехуровневый маршрут будет получен за долю времени. Наша фабрика изготавливает от 1 до 32 слоев, и схема последовательна: эффективная маршрутизация сокращает время выполнения заказа более надежно, чем любая плата за ускорение.

Правила DFM: проложите путь на заводе по гравировке, пластинам и ламинату

Маршрут, который проходит проверку списка соединений и сигналов, все равно может выйти из строя в заводских условиях. Плату необходимо травить, сверлить, гальванизировать и прессовать, и каждый процесс имеет геометрические ограничения. Следующие правила предотвращают наиболее распространенные повторные сбои.

Медный баланс и воровство

Когда одна часть слоя представляет собой сплошную заливку, а другая почти пуста, толщина покрытия становится неравномерной и ламинирование может деформировать панель. Хорошая разводка распределяет медь по каждому слою; там, где это невозможно, добавьте воровские блоки или заштрихованную медь. Наша команда CAM добавляет воровство во время обработки, но фрезерованный дизайн, который обеспечивает сбалансированность, проходит проверку быстрее, а пластины более равномерны.

Переходные отверстия и кольцевое кольцо

Для каждого переходного отверстия необходимо кольцевое кольцо: медное кольцо вокруг просверленного отверстия, которое соединяет ствол с дорожкой. Если кольцо слишком маленькое, несовпадение сверла приведет к разрыву соединения. Кольцевое кольцо толщиной не менее 4 мил (0,1 мм) является безопасным рабочим правилом для стандартной обработки. Слепые и скрытые переходные отверстия уменьшают количество слоев в плотных конструкциях, но каждый тип переходного отверстия требует дополнительных этапов сверления и ламинирования; via-in-pad, полезный для BGA, требует заполнения и дополнительного покрытия. Платы HDI с микроотверстиями образуют отдельное семейство процессов, которое наша линия HDI поставляет в течение 25 дней.

Термальные рельефы

Когда площадка со сквозными отверстиями соединяется с большой медной заливкой, во время пайки заливка действует как теплоотвод. Без термозащитных спиц контактная площадка может не достичь температуры пайки. Проложите плоскосоединенные колодки с терморазрывами везде, где это позволяет ток.

Практический контрольный список маршрутизации, который необходимо выполнить перед отправкой файлов:

• Подберите мощность, которая отслеживается и подается для устойчивого тока в наихудшем случае, а не для типичной нагрузки.
• Используйте правила очистки для каждого класса сети; высоковольтные, высокоскоростные и общие сигнальные сети редко требуют одинакового расстояния.
• Сохраняйте распределение меди на каждом слое достаточно равномерным и добавляйте воровство к слоям, которые в основном пусты.
• Прежде чем завершить трассировку, подтвердите минимальную трассу/пространство, минимальное кольцевое кольцо и минимальный размер сквозного отверстия на заводе.
• Поместите твердую опорную плоскость под каждым высокоскоростным маршрутом или маршрутом с контролируемым импедансом.

Материалы и обработка поверхности, меняющие правила маршрутизации

Подложка и отделка меняют параметры трассировки так же, как и электрическая цепь. Стандартный FR-4 хорошо работает с обычными цифровыми и аналоговыми платами. High-Tg FR-4 устойчив к разрушению CAF в толстых многослойных платах и ​​широко используется в автомобильной электронике; безгалогенный FR-4 соответствует экологическим требованиям; высокочастотные ламинаты с контролируемыми Dk и Df используются для радиочастотных и высокоскоростных цифровых технологий, а ширина дорожки, необходимая для линии с сопротивлением 50 Ом, меняется в зависимости от каждого материала.

Платы с металлическим сердечником — на алюминиевой или медной основе — проводят тепло через подложку, поэтому силовые цепи могут использовать более узкие маршруты, но сверление и травление металлических сердечников подчиняются другим правилам проектирования. В наш ассортимент продукции входят FR-4, безгалогенные, высокочастотные платы с высоким Tg, на алюминиевой, медной основе и на керамической основе с такой отделкой поверхности, как OSP, бессвинцовый HASL, иммерсионное золото и иммерсионное олово. Выбор отделки в основном влияет на паяемость и срок хранения, поэтому его следует согласовывать с процессом сборки, а не рассматривать как второстепенную мысль.

Маршрут с учетом производства

Маршрутизация — это когда дизайн становится физическим объектом, и этот объект оценивается фабрикой. Платы, которые поставляются вовремя и работают надежно, редко являются результатом умных настроек автоматической трассировки; они являются произведением ширины дорожек, рассчитанной по току, зазоров, установленных для напряжения, стеков, выбранных с учетом плотности, и деталей DFM, учитываемых с первого прохода компоновки. Если у вас есть сомнения, спросите заранее: двусторонний прототип на нашем заводе может быть изготовлен за 24 часа, а одна быстрая итерация стоит гораздо меньше, чем партия из 16 слоев, которая не прошла электрические испытания из-за ошибки в пространстве. Если вам нужны рекомендации по стекированию, обзор DFM или расценки на трассированную плату от 1 до 32 слоев, наша команда инженеров готова ответить подробно.