трасса печатной платы – это проводящая дорожка, которая соединяет компоненты на печатной плате, обеспечивая прохождение между ними электрических сигналов, питания и заземления.
Правильное проектирование трасс печатной платы является основополагающим для ее работы. Если рассматривать трассы печатных плат как магистрали, соединяющие города, то дизайн ширины, длины и трассы печатной платы так же важен, как и дизайн магистрали. В этом блоге мы систематически расскажем вам о том, как следует определять размеры и прокладывать трассы печатных плат, чтобы обеспечить надежную работу, технологичность и эффективность ваших проектов.
Что следует учитывать перед определением размеров и прокладкой трасса печатной платы?
Перед определением размеров и разводкой дорожек печатной платы необходимо тщательно оценить следующие 5 важнейших факторов для улучшения электрических характеристик и технологичности.
1. Ток и мощность
Дорожки печатной платы должны выдерживать требуемый ток без перегрева и чрезмерного падения напряжения. Более толстая или широкая дорожка может пропускать больший ток, в то время как длинные дорожки могут потребовать увеличения ширины для минимизации сопротивления (падения напряжения).
Всегда сверяйтесь со стандартами, такими как IPC-2221, чтобы определить минимальную ширину с учётом тока, веса меди и допустимого повышения температуры. Для высоковольтных дорожек, таких как для двигателей или блоков питания, может потребоваться более толстый слой меди (например, 2 унции) или несколько слоёв во избежание перегрева.
2. Целостность сигнала (импеданс)
Целостность сигнала обеспечивает распространение высокочастотных сигналов без искажений и потерь. Контролируемый импеданс имеет решающее значение для надежной целостности сигнала. Импеданс — это противодействие переменному току (AC) высокочастотным сигналам, оказываемое совместным эффектом сопротивления и реактивности в цепи.
Правильное согласование импеданса может обеспечить согласованную геометрию трассы, чтобы избежать отражения сигнала, электромагнитных помех и повреждения данных. Особенно для высокоскоростных сигналов (например, USB, HDMI или шины памяти), поддержание согласованного импеданса трассы чрезвычайно важно для поддержания чистоты и стабильности сигналов.
3. Тепловые факторы и факторы надежности
Трассы, несущие высокие токи, генерируют тепло, а тонкая проводка может стареть или ломаться из-за постоянного нагрева, что со временем приводит к выходу из строя и тепловому повреждению. Плохая тепловая конструкция может ускорить старение или вызвать тепловой разгон в соседних компонентах.
Более широкие дорожки, терморазрывные площадки и медные заливки помогают рассеивать тепло, а отсутствие длинных тонких дорожек снижает механическое напряжение. В конструкциях высокой мощности медные заливки или тонкие терморазрывные структуры необходимы для безопасности и более длительного срока службы.
4. Риски перекрестных помех и электромагнитных помех
Перекрестные помехи относятся к нежелательной связи сигналов между соседними дорожками, вызванной паразитной емкостью и индуктивностью, что приводит к искажению сигнала, шуму и ложному срабатыванию. Это обычно наблюдается в высокочастотных, протяженных параллельных или плотно проложенных дорожках.
ЭМП ) возникают из-за высокочастотного излучения сигнала или дефектов схемы, которые могут быть вызваны высокоскоростными сигналами, импульсными источниками питания или дефектными схемами (например, скачком заземления). Это может привести к несоответствию устройства (например, отказу сертификации FCC/CE), неправильной работе системы или помехам беспроводной связи.
5. Физическая планировка
Узкий интервал между трассами может привести к тому, что сигналы трасс будут мешать друг другу, что может привести к ошибкам в данных и искажению сигнала. В высоковольтных приложениях это также может привести к искрению или короткому замыканию. Соблюдайте правильный интервал между трассами на основе уровней напряжения и частоты, чтобы поддерживать общую производительность и надежность электронных устройств.
Правильные параметры для определения размеров печатной платы
Чтобы обеспечить надежную подачу питания и оптимизировать пространство на печатной плате, проектировщикам необходимо тщательно сбалансировать ширину дорожек, толщину меди и длину дорожек для обеспечения плавного прохождения тока и улучшения тепловых и электрических характеристик.
1. Ширина следа
Ширина дорожки печатной платы является одним из важнейших факторов в проектировании дорожки печатной платы, поскольку она может напрямую влиять на токопроводящую способность, рассеивание тепла и целостность сигнала. Если дорожка слишком узкая для протекающего через нее тока, более высокое сопротивление дорожки приведет к чрезмерному нагреву, что может повредить дорожки.
Расчет ширины дорожки имеет разные стандарты, такие как IPC-2221 и IPC-2152, которые являются двумя наиболее часто используемыми стандартами. Здесь мы используем формулу IPC-2221 для оценки минимальной ширины дорожки для заданного тока и допустимого повышения температуры:
Где:
( I ) = Ток (Амперы)
( ΔT ) = Повышение температуры выше температуры окружающей среды (°C, обычно 10°C–30°C для безопасности)
( A ) = Площадь поперечного сечения (мил², зависит от толщины меди)
( k ) = Коэффициент снижения номинальных значений (0,024 для внешних трасс, 0,048 для внутренних трасс)
Внешний след — это видимый путь, а внутренний след — это невидимый путь между слоями.
Хотя в некоторых инструментах проектирования печатных плат и на некоторых заводах также есть некоторые типичные значения ширины дорожек, эти значения по умолчанию применимы только для обычных сигналов с малым током и не всегда подходят для дорожек печатных плат. Большинство проектов печатных плат используют ширину дорожек в диапазоне от 6 мил (0,15 мм) до 100 мил (2,54 мм) в зависимости от точных параметров в различных приложениях:
| Приложение | Типичная ширина (мил) | Ключевое соображение |
| Цифровой (низкоскоростной) | 5–10 | Плотность маршрутизации |
| Цифровой (высокоскоростной) | 8–15 | Согласование импеданса, перекрестные помехи |
| Мощность (слабый ток) | 15–30 | Падение напряжения, потери IR |
| Мощность (высокий ток) | 50–200+ | Тепловыделение, текущая мощность |
| РЧ и аналоговые | 10–20 | Контролируемый импеданс, помехоустойчивость |
| Высокое напряжение | 30–50+ | Зазор утечки, предотвращение дуги |
2. Толщина
Обычно толщина меди регулируется в соответствии с различными требованиями к току или пространству, например, можно увеличить толщину меди в ограниченном пространстве, чтобы обеспечить прохождение тока по более узким дорожкам.
Более толстая медь (например, 2 унции) обеспечивает более высокие токи и лучшее рассеивание тепла, но увеличивает стоимость изготовления и сложность травления, в то время как более тонкая медь (например, 0,5 унции) используется для высокочастотных/РЧ-конструкций для минимизации потерь из-за скин-эффекта.
Расчет толщины дорожки на самом деле измеряется весом на квадратный фут (унция/фут²) или микронами (мкм). Стандартные печатные платы по умолчанию имеют толщину меди в 1 унцию, но она также доступна на большинстве заводов по производству печатных плат, варьируясь от 0,5 унций/фут² до 3 унций/фут², с некоторыми вариантами до необычных 6 унций/фут². Вот общие стандарты:
| Вес меди (унций/фут²) | Толщина (мил) | Толщина (мкм) | Использование |
| 0,5 унции | 0,7 мил | 17,5 мкм | Ультратонкие (гибкие печатные платы, конструкции с высокой плотностью) |
| 1 унция | 1,37 мил | 35 мкм | Наиболее распространенные (сигнальные трассы, стандартные печатные платы) |
| 2 унции | 2,74 мил | 68 мкм | Сильноточные силовые трассы |
| 3 унции+ | >4,1 мил | >105 мкм | Экстремальная обработка мощности (контроллеры двигателей, высоковольтные печатные платы) |
Примечание:
1 мил = 0,001 дюйма = 25,4 мкм
1 унция/фут² ≈ толщина 1,37 мил (35 мкм)
Внешние слои обычно используют 1 унцию или выше для прочности и управления током, а внутренние слои часто используют 0,5 унции до 1 унции для баланса между тонкими дорожками и технологичностью. YONGVE поддерживает пользовательскую толщину дорожек (0,5 унции – 5 унций+) для специализированных приложений.
3. Длина
Длина дорожки печатной платы также влияет на целостность сигнала и синхронизацию в высокоскоростных цепях. Типичная длина дорожки зависит от приложения. Однако короткие дорожки (несколько миллиметров) предпочтительны для избежания таких проблем, как ошибки синхронизации, задержки распространения и электромагнитные помехи (например, в памяти DDR или данных USB). Конечно, более длинные дорожки (несколько сантиметров) могут быть приемлемы для низкоскоростных сигналов, таких как распределение питания или связь UART.
Чтобы минимизировать проблемы, критические дорожки должны быть согласованы по длине и быть максимально короткими, чтобы уменьшить паразитную индуктивность, сопротивление и восприимчивость к шуму. Проектировщики печатных плат также всегда отдают приоритет короткой и прямой трассировке, но избегают длинных дорожек.
Ключевые правила маршрутизации печатных плат
Эффективная трасса печатной платы — основа высокопроизводительной печатной платы. Чтобы обеспечить оптимальную функциональность и технологичность, следуйте следующим 8 правилам трассировки печатной платы.
1. Приоритет разводки печатной платы
Приоритет критических сигналов. Критические сигналы, такие как линии электропередач, аналоговые малые сигналы, высокоскоростные сигналы, сигналы часов и сигналы синхронизации, должны быть маршрутизированы в первую очередь. Эти сигналы напрямую влияют на производительность схемы, и любые помехи или задержки могут привести к отказу системы.
Отдавайте приоритет маршрутизации областей с высокой плотностью. Начните маршрутизацию с компонентов с наиболее сложными соединениями или с наиболее плотными участками проводки на плате. Это обеспечивает лучшую организацию и снижает перегрузку в критических зонах.
2. Контроль расстояния между трассами
Следуйте правилу 3W —— расстояние между линиями ≥ 3×ширина линии. Если расстояние между центрами линий не менее 3-кратной ширины линии, 70% электрического поля между линиями могут поддерживаться без помех друг другу.
Для стандартных печатных плат FR4 сохраняйте расстояние между дорожками не менее 0,1 мм (4 мил). Высокоплотные конструкции (например, HDI) могут использовать 0,075 мм (3 мил), но это увеличивает стоимость и снижает выход годного.
3. Избегайте острых углов.
Острые углы (<90°) могут удерживать травильные химикаты и отражать высокочастотные сигналы, вызывая коррозию или разрывы меди, ухудшение целостности сигнала и прерывистый импеданс.
Для общей трассировки тупые углы (>90°) уменьшают дефекты травления, такие как кислотные ловушки или медные трещины. Для высокоскоростных сигналов используйте изгибы на 45° или плавные изгибы для высокоскоростных сигналов, чтобы поддерживать постоянство импеданса.
4. Маршрутизация через отверстия и трассы
Правильный дизайн переходных отверстий и дорожек имеет важное значение для обеспечения целостности сигнала и технологичности в макетах печатных плат. Переходные отверстия должны быть правильного размера — для сильноточных дорожек может потребоваться несколько переходных отверстий, в то время как для высокоскоростных сигналов следует избегать тупиковых переходных отверстий, чтобы уменьшить искажение сигнала.
Поддерживайте минимальный зазор ≥0,2 мм (8 мил) для процессов механического сверления и интервал ≥0,1 мм (4 мил) для лазерных (HDI) отверстий, чтобы предотвратить производственные дефекты. Добавление капель на соединениях отверстий и дорожек также может предотвратить растрескивание при проектировании.
5. Маршрутизация сигнала
Критические сигналы, такие как чувствительные аналоговые трассы, требуют выделенных слоев маршрутизации для обеспечения минимальной площади контура и снижения перекрестных помех и помех. Если возможно, вы можете принять некоторые меры, такие как экранирование и увеличение безопасного расстояния, чтобы минимизировать шум и сохранить качество сигнала.
Более того, также важна согласованная длина трассы критических сигналов. Неравномерная длина трассы может привести к несоответствиям во времени, что приведет к ошибкам или ненадежной работе системы. Поэтому убедитесь, что трассы для критических сигналов максимально короткие и прямые.
6. Контроль перекрестных помех
Перекрестные помехи — это взаимные помехи, вызванные длинной параллельной проводкой между различными сетями на печатной плате, в основном из-за распределенной емкости и индуктивности между параллельными линиями. Чтобы избежать такой ситуации, вы можете:
- Следуйте принципу 3W, упомянутому в пункте 2.
- Вставьте заземляющие изоляционные провода между параллельными линиями.
- Уменьшите расстояние между слоем проводки и заземляющей поверхностью.
- Избегайте прокладки различных сигнальных линий в одном направлении на соседних слоях, чтобы уменьшить ненужные межслоевые помехи.
7. Управление согласованием импеданса
Сети с требованиями к контролю импеданса должны быть организованы на слое контроля импеданса, чтобы избежать перекрестной сегментации сигнала. Односторонние сигналы (например, 50-омная микрополосковая линия на FR4) должны поддерживать допуск 5%~10%, в то время как дифференциальные пары требуют плотного зазора (≤2× ширины линии) и согласования длины (±50 мил) для оптимальной производительности.
Чтобы обеспечить целостность сигнала, избегайте прокладки чувствительных к импедансу трасс через расщепления плоскостей или переходы слоев. Вместо этого держите их на непрерывных опорных плоскостях (например, сплошная GND) и используйте калькуляторы импеданса (например, Saturn PCB Toolkit) для точного проектирования.
8. Проектирование для тестирования
Для повышения тестируемости убедитесь, что в критических сигналах имеются доступные контрольные точки (идеально в диаметре 1 мм) для зондирования. Избегайте размещения контрольных точек под компонентами, такими как BGA, так как это усложняет проверку и отладку. Кроме того, следует учитывать требования автоматизированного оптического контроля (AOI), поддерживая интервал между линиями ≥0,2 мм (8 мил) для надежного обнаружения.
Заключение
Как важный аспект компоновки печатной платы, проектирование каждой трасса печатной платы имеет решающее значение для общей производительности печатной платы. Перед проектированием дорожки печатной платы нам необходимо рассмотреть некоторые ключевые факторы, которые могут повлиять на электрические характеристики печатной платы и технологичность, такие как допустимая нагрузка по току, импеданс. Также важно выяснить важные параметры и правила при определении размеров и маршрутизации дорожки печатной платы, чтобы спроектировать работоспособную и надежную сеть трасс.
YONGVE предлагает экспертные услуги по проектированию трасс печатных плат с профессиональной командой и превосходным качеством. Независимо от того, нужна ли вам индивидуальная ширина трасс, сложная HDI-маршрутизация или стратегии термореле, MOKO обеспечивает высококачественные решения для печатных плат, соответствующие вашим конкретным требованиям.
