La bonne façon de définir la largeur des pistes de PCB

Nous revenons ici à une question d’ingénierie fondamentale dans la conception de PCB, et certainement à une question qui peut sembler assez élémentaire au concepteur débutant. Cette question est la suivante : comment déterminer quelles largeurs de piste utiliser dans un empilage donné ?

Dans les conceptions simples réalisées avec un cuivre de 0,5 oz / 1 oz sur les couches internes/externes, on choisit généralement la bonne vieille largeur de piste de 8 mil/0,2 mm et on passe au routage. Parfois, ces cartes nécessitent un ajustement de la largeur de piste pour le contrôle d’impédance, mais, en général, on peut choisir une largeur de piste et s’y tenir.

Dans de nombreuses autres situations, comme les conceptions avec des composants denses à terminaisons sous boîtier, un nombre élevé de couches, plusieurs profils d’impédance et un cuivre plus épais, on peut constater que la bonne vieille largeur de piste de 8 mil/0,2 mm ne convient plus. Cet article examine tous les cas où il est nécessaire de déterminer les contraintes de largeur de piste imposées par la conception de l’empilage et les capacités du fabricant.

Commencez toujours par l’empilage du PCB

L’empilage du PCB est, au sens propre comme au figuré, la base de la conception de votre circuit imprimé. Bien entendu, il supporte les composants qui seront assemblés dans la conception, mais il peut aussi imposer des contraintes sur la largeur de piste utilisée pour terminer le routage. La contrainte sur la largeur de piste utilisée lors du routage peut provenir de plusieurs aspects de la conception, et il incombe au concepteur de déterminer lesquels s’appliquent à une implantation ou à un produit donné.

En réalité, ce que les nouveaux concepteurs ne comprennent souvent pas, c’est que l’empilage standard figurant sur le site web de la plupart des fabricants ne vous donnera pas ces contraintes. Les empilages standard sont destinés aux conceptions simples, pour lesquelles il n’existe pas de contraintes strictes sur la largeur des pistes et les espacements. Dans les produits réels, il est souvent nécessaire que le concepteur prenne en charge la conception de l’empilage et la détermination des contraintes associées. Si vous êtes dans ce cas, prêtez attention aux points ci-dessous, qui vous aideront à définir des valeurs appropriées pour la largeur des pistes et les espacements.

Capacités du fabricant et poids du cuivre

La limite minimale absolue de largeur de piste est imposée par les capacités de votre fabricant, mais il ne s’agit pas d’un simple chiffre trouvé sur un site web. Un point important que beaucoup de nouveaux concepteurs ne réalisent pas, en particulier s’ils prévoient de travailler en électronique de puissance, est que le poids du cuivre impose une contrainte minimale sur la largeur de piste. En effet, un cuivre plus épais demande plus de temps de gravure, et des pistes plus étroites sur un cuivre épais peuvent ne pas être reproduites de manière répétable sur de longues durées de gravure. Par conséquent, un fabricant ne peut garantir qu’une certaine taille minimale de piste en fonction du poids du cuivre.

Le tableau ci-dessous compare des valeurs typiques de largeur de piste et d’espacement fournies par un fabricant pour trois valeurs de poids du cuivre, sur couches internes et externes.

Vous avez peut-être également remarqué que le tableau sépare les valeurs de largeur de piste entre couches internes et externes. Une des raisons est que le cuivre des couches internes ne nécessite pas de métallisation finale des trous traversants et peut donc bénéficier d’une taille de piste et d’un espacement plus réduits que sur les couches externes. Notez que les valeurs de poids du cuivre indiquées ici correspondent au cuivre fini, c’est-à-dire au poids du cuivre après métallisation.

Composants à terminaisons sous boîtier à pas fin

Bien que cette catégorie de composants inclue les grands boîtiers BGA, elle ne s’y limite pas. De nombreux QFNs, LGAs, et même certains composants à broches peuvent avoir un faible pas, ce qui limite la largeur de piste à utiliser pour router vers ces composants. Cette contrainte peut s’appliquer indépendamment de la valeur d’impédance requise ou du poids du cuivre.

Les QFN ou LGA à pas fin peuvent avoir un pas de broche allant jusqu’à 0,5 mm, soit 20 mil. À ces pas, vous ne disposez généralement que d’une marge de 8 ou 10 mil pour la largeur de piste au maximum. En d’autres termes, la largeur de piste pour le routage vers ce composant sera limitée vers le bas par le poids du cuivre et vers le haut par la taille physique des pastilles dans l’empreinte du composant.

Un point important à comprendre concernant ces composants est que la largeur de piste admissible que vous pouvez faire passer au niveau des pastilles du composant influencera la conception de l’empilage lorsqu’un contrôle d’impédance est requis. Par exemple, si vous devez faire arriver une microruban de 10 mil à 50 ohms vers un boîtier QFN à pas fin, le diélectrique de la couche externe ne peut pas être plus épais qu’environ 5 mil.

Empreintes BGA à nombre élevé de broches

Les empreintes BGA peuvent supprimer la possibilité de router entre les broches ou les pastilles, en particulier lorsque le pas entre les broches est faible. Ces BGA et les champs de vias utilisés pour les échappements peuvent permettre le routage entre les pastilles, mais arrive un moment où le pas des billes devient si faible qu’il n’est plus possible de router entre les vias ou les pastilles BGA sans violer les limites de largeur et d’espacement. Cela fixe une limite supérieure à la largeur de piste que vous pouvez utiliser, du moins dans la zone BGA.

La plupart des concepteurs prennent cette valeur de largeur de piste et l’utilisent sur toute la carte. Cela s’explique en partie par la facilité de configuration des règles et contraintes de conception, et de cette façon, il n’est pas nécessaire de créer une règle de rétrécissement de piste lors du routage dans l’empreinte BGA.

L’autre raison pour laquelle de nombreux concepteurs prennent cette largeur de piste maximale imposée par une empreinte BGA et l’utilisent partout sur la carte est qu’il est très probable qu’il y ait d’autres composants à pas fin sur la carte qui puissent eux aussi bénéficier de cette même largeur de piste. C’est une autre bonne raison de simplement définir une largeur de piste préférée globale dans vos règles de conception et de l’utiliser partout. Bien sûr, il existe des exceptions, par exemple pour l’impédance contrôlée ou l’intégrité du signal, mais celles-ci sont souvent également traitées en sélectionnant les bonnes épaisseurs diélectriques dans l’empilage du PCB.

Taille du trou de perçage des vias par rapport à la largeur de piste

Cette configuration de contrainte est beaucoup moins courante, mais c’est un moyen utile d’empêcher qu’une rupture de perçage sur une pastille de via ne coupe une piste connectée. C’est le genre de chose que l’on peut faire dans un produit grand public à faible coût ou dans un dispositif jetable qui n’a pas besoin d’atteindre des normes de fiabilité ou de qualité d’exécution commerciales ou militaires.

Les ruptures lors du perçage sont illustrées dans l’image ci-dessous. Selon la classe de produit IPC :

• Les produits non critiques peuvent encore autoriser une rupture (Classe 1)
• La rupture est limitée (Classe 2)
• La rupture est interdite (Classe 3)

Ces pistes de 6 mil sont connectées à des vias avec des trous de perçage de 8 mil et des anneaux annulaires inférieurs à la Classe 2, ce qui peut entraîner une rupture. Augmenter la largeur de piste à 10 mil ou ajouter des larmes aidera à garantir qu’une piste ne se détache pas en cas de forte dérive de perçage.

D’après l’image, il est très clair que si la pastille du via est petite, des ruptures près de la connexion de la piste peuvent complètement sectionner la piste, et le PCB devra être mis au rebut. Cependant, comme alternative à l’utilisation de pastilles de via plus grandes, l’emploi d’une piste plus large, supérieure au diamètre de perçage, garantira qu’une rupture ne sectionne pas totalement la piste de la pastille du via.

Impédance cible

Le dernier facteur qui détermine une contrainte de largeur de piste, et qui est une conséquence directe de la conception de l’empilage, est la taille de piste nécessaire pour atteindre une impédance cible. Si vous utilisez un empilage standard fourni par un fabricant, certains empilages indiqueront la taille de piste pour une impédance de 50 ohms, puis appliqueront une approche d’impédance contrôlée pour les paires différentielles.

Les utilisateurs d’Altium Designer peuvent également obtenir un calcul d’impédance très précis pour des pistes single-ended ou des paires différentielles en utilisant le solveur d’impédance du Layer Stack Manager. Celui-ci se trouve dans l’onglet Impedance et utilise un moteur intégré de résolution du champ électromagnétique pour calculer l’impédance sans pertes.

Le Layer Stack Manager dans Altium Designer inclut un calculateur d’impédance sans pertes.

Cette valeur peut ensuite être appliquée comme règle de conception dans votre fichier PcbDoc pendant le routage. Les valeurs d’impédance peuvent être attribuées à des nets individuels et à des classes de nets, et peuvent être activées ou désactivées pour des couches spécifiques.

Dimensionnement des rails d’alimentation

Certains des cas listés ci-dessus concernent surtout l’identification et la définition de la largeur de piste maximale, ou la détermination d’une largeur de piste minimale pour router de petites pistes. Mais qu’en est-il des pistes ou rails destinés à l’électronique de puissance ?

Les rails d’alimentation peuvent être définis et configurés à l’aide d’une règle de conception, tout comme les pistes standard, mais ils nécessitent généralement des espacements plus importants et une largeur supérieure à celle des pistes standard. Ces espacements et dimensions de rail dépendent de la tension et du courant présents sur le rail concerné, et l’IPC fournit des recommandations pour dimensionner les rails afin d’éviter une chute de tension IR excessive sur le rail d’alimentation.

Pour dimensionner les largeurs de piste (ou de polygone) de manière à éviter une chute de tension excessive et à maintenir l’élévation de température du rail sous un certain seuil, la norme IPC-2152 fournit des recommandations sur la section transversale requise d’un rail en cuivre. Ces recommandations figurent dans les tableaux ci-dessous.

Ces tableaux montrent comment la limitation de l’élévation de température et le courant sont liés par la section transversale : une section plus grande permet un courant plus élevé pour une élévation de température admissible donnée. Cela est logique, car une section plus grande réduit la densité de courant et, par conséquent, diminue la chute de tension IR.

Qu’en est-il de la tension et de l’espacement ? Les valeurs d’espacement ne jouent un rôle majeur qu’à haute tension et sont traitées dans une autre norme (IPC-2221). L’espacement requis pour une tension continue ou crête AC donnée peut être calculé ou déterminé à partir de tableaux. Nous avons également développé un calculateur pour cette tâche, présenté dans un autre article :

• Utilisation d’un calculateur d’espacement PCB IPC-2221 pour la conception haute tension

Meilleur logiciel de routage PCB pour appliquer les règles de largeur de piste PCB

Si vous souhaitez garantir le maintien de la bonne largeur de piste dans l’ensemble de votre conception, y compris avec des valeurs différentes sur différentes couches et dans différentes zones du routage PCB, vous avez besoin d’un logiciel de conception PCB doté d’un moteur de règles de conception PCB puissant et hautement configurable. Ces limites de largeur de piste peuvent être définies à l’aide d’un format de matrice de contraintes ou en définissant des limites pour différentes catégories de règles de conception PCB. Quelle que soit votre méthode préférée pour configurer vos contraintes de largeur de piste, le moteur de règles de conception PCB d’Altium Designer offre les capacités et la flexibilité nécessaires pour contrôler la largeur des pistes partout dans votre conception.

Contraintes de largeur de piste par couche

Le système de règles de conception PCB dans Altium Designer permet aux utilisateurs de créer des requêtes personnalisées précisant où une règle de conception s’applique et à quels objets elle s’applique. Pour contrôler les pistes sur des couches spécifiques ou des groupes de couches, vous utiliserez la requête OnLayer pour sélectionner les pistes sur une couche donnée. Vous pouvez également créer un groupe de couches, appelé Layer Class, et utiliser la requête InLayerClass pour désigner les pistes sur n’importe quelle couche du groupe.

Des classes peuvent être créées dans Altium Designer afin que les règles de conception puissent être appliquées à des groupes d’objets à l’intérieur d’une classe.

Pour définir une largeur de piste pour une couche spécifique, créez une règle Routing Width et utilisez sa requête de portée pour sélectionner la couche ou la classe de couches requise. Cela permet d’appliquer les largeurs de piste minimale, préférée et maximale uniquement là où la requête correspondante est évaluée comme vraie.

• Ouvrez le PCB Rules and Constraints Editor et localisez la catégorie de règle Routing - Width.
• Créez une nouvelle règle Width pour la couche ou le groupe de couches nécessitant une largeur de piste spécifique.
• Saisissez une requête OnLayer pour une seule couche, telle que OnLayer('Top Layer').
• Pour plusieurs couches liées, créez une Layer Class et utilisez une requête InLayerClass pour appliquer la règle à ce groupe.
• Saisissez les valeurs de largeur de piste minimale, préférée et maximale à appliquer aux couches sélectionnées.
• Définissez la priorité de la règle de manière appropriée si une autre règle Width peut également s’appliquer aux mêmes objets routés.
• Routez ou modifiez les pistes normalement, en laissant Altium Designer appliquer les limites de largeur appropriées en fonction de la couche active.

Contraintes de largeur de piste par zone

La limitation de la largeur de piste par zone dans le routage PCB est moins courante, mais elle est également possible grâce au système de requêtes dans Altium Designer. Un objet Room peut définir la zone physique où une règle de largeur différente doit s’appliquer, tandis que la requête WithinRoom identifie les objets routés situés dans cette zone.

• Créez ou placez une Room autour de la partie du PCB où la largeur de piste alternative est requise.
• Donnez à la Room un nom clair afin qu’elle puisse être référencée dans la requête de règle de conception.
• Créez une nouvelle règle sous Routing - Width dans le PCB Rules and Constraints Editor.
• Utilisez une requête telle que WithinRoom('RoomName') pour appliquer la règle Width aux objets à l’intérieur de la Room spécifiée.
• Saisissez les valeurs de largeur de piste minimale, préférée et maximale pour cette zone.
• Ajustez la priorité de la règle si la règle régionale chevauche des règles Width globales, spécifiques au net ou spécifiques à la couche.
• Effectuez le routage à travers la Room normalement, en laissant la règle Width régionale contrôler les dimensions de piste autorisées.

Les Rooms peuvent être définies dans le routage PCB afin d’établir des zones où des règles de conception spécifiques s’appliquent.

Conservez un contrôle pratique de la largeur de piste

Les règles de conception PCB simplifient la gestion du routage, de la fabrication et des contraintes électriques, en éliminant la nécessité de suivre manuellement les exceptions. Plutôt que de s’appuyer sur des systèmes de contraintes rigides ou des paramètres globaux, Altium Designer vous permet de définir des règles basées sur les structures réelles du PCB à l’aide de requêtes personnalisées. Vous pouvez définir la portée des contraintes de largeur de piste par net, couche, composant ou zone physique, tout en conservant une règle globale simple et en appliquant automatiquement des exceptions de haute priorité lorsque cela est nécessaire.

Pour en savoir plus sur le système de règles de conception PCB dans Altium Designer, regardez la vidéo ci-dessous.

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Foire aux questions

Comment le poids du cuivre affecte-t-il la largeur minimale d’une piste PCB ?

Un cuivre plus épais nécessite généralement une largeur minimale de piste plus importante, car le cuivre plus épais demande plus de temps de gravure. À mesure que le temps de gravure augmente, les pistes très étroites deviennent plus difficiles à fabriquer de manière constante. Votre fabricant de PCB doit donc spécifier la largeur minimale de piste et l’espacement en fonction du poids final du cuivre, plutôt que de fournir une valeur minimale unique pour chaque couche.

Quelle largeur une piste d’alimentation PCB doit-elle avoir pour un courant donné ?

La largeur d’une piste d’alimentation PCB doit être choisie en fonction du courant, de l’épaisseur du cuivre, de l’élévation de température admissible et de la chute de tension acceptable. IPC-2152 fournit des directives pour déterminer la section de cuivre requise. Un courant plus élevé ou une élévation de température admissible plus faible nécessite généralement une section plus importante, qui peut être obtenue avec une piste plus large, un cuivre plus épais, ou les deux.

La largeur de piste PCB peut-elle aider à prévenir les défaillances de breakout lors du perçage des vias ?

Oui. Si une dérive de perçage provoque un breakout près du point où une piste se connecte à une pastille de via, une piste étroite peut potentiellement être sectionnée. L’utilisation d’une piste plus large que le diamètre de perçage du via fournit davantage de cuivre autour de la connexion et réduit le risque que le breakout déconnecte complètement la piste. Les teardrops peuvent également apporter du cuivre supplémentaire à la transition entre le via et la piste.

Comment définir différentes largeurs de piste sur différentes couches PCB dans Altium Designer ?

Créez des règles Routing - Width distinctes dans le PCB Rules and Constraints Editor et appliquez chaque règle à la couche requise. Utilisez une requête OnLayer pour une seule couche ou créez une Layer Class et utilisez InLayerClass pour plusieurs couches. Chaque règle peut définir ses propres largeurs de piste minimale, préférée et maximale, la priorité des règles déterminant quelle contrainte s’applique lorsque les règles se chevauchent.

Comment le pas des BGA et la taille des vias limitent-ils la largeur de piste PCB ?

Le pas des BGA détermine l’espace de routage disponible entre les pastilles et les vias d’évasement. À mesure que le pas des billes diminue, la largeur maximale de piste pouvant passer dans la zone BGA diminue également. Lorsque les pas deviennent suffisamment faibles, le routage entre pastilles ou vias peut ne plus être possible sans violer les limites de largeur de piste et d’espacement, ce qui nécessite des pistes plus étroites, des vias plus petits ou une stratégie d’évasement différente.