Il modo corretto per definire la larghezza delle tracce PCB

Torniamo qui a una domanda fondamentale dell’ingegneria nella progettazione dei PCB, e certamente a una di quelle che al progettista alle prime armi può sembrare piuttosto basilare. La domanda è: come si determina quale larghezza delle tracce usare in un determinato stackup?

I progetti semplici realizzati con rame da 0,5 oz / 1 oz sugli strati interni/esterni di solito scelgono la fidata vecchia larghezza traccia da 8 mil/0,2 mm e procedono con il routing. A volte queste schede richiedono un adeguamento della larghezza delle tracce per il controllo dell’impedenza, ma in genere possiamo scegliere una larghezza traccia e mantenerla.

In molte altre situazioni, come nei progetti con componenti bottom-terminated ad alta densità, numero elevato di strati, molteplici profili di impedenza e rame più pesante, potremmo scoprire che la fidata vecchia larghezza da 8 mil/0,2 mm non è più sufficiente. Questo articolo esaminerà tutti i casi in cui è necessario determinare i vincoli sulla larghezza delle tracce in funzione della progettazione dello stackup e delle capacità del fabbricante.

Parti Sempre dallo Stackup del PCB

Lo stackup del PCB è, letteralmente e figurativamente, la base del progetto della tua scheda. Naturalmente ospita i componenti che verranno assemblati nel progetto, ma può anche creare vincoli sulla larghezza delle tracce da usare per completare il routing. Il vincolo sulla larghezza delle tracce usate nel routing può derivare da più aree del progetto, ed è responsabilità del progettista determinare quali di questi siano applicabili a uno specifico layout o prodotto.

In effetti, ciò che i progettisti meno esperti spesso non comprendono è che lo stackup standard presente sulla maggior parte dei siti web dei produttori non fornirà questi vincoli. Gli stackup standard sono pensati per progetti semplici in cui non vi sono vincoli stringenti su larghezza delle tracce e spaziature. Spesso i prodotti reali richiedono che il progettista si assuma la responsabilità della progettazione dello stackup e della determinazione dei vincoli associati. Se ti trovi in questa situazione, presta attenzione agli aspetti riportati di seguito, che ti aiuteranno a vincolare larghezza delle tracce e clearance a valori appropriati.

Capacità del Fabbricante e Peso del Rame

Il limite minimo assoluto della larghezza delle tracce è imposto dalle capacità della tua casa di fabbricazione, ma non si tratta di un singolo numero ricavabile da un sito web. Un punto importante che molti nuovi progettisti non realizzano, soprattutto se intendono lavorare nell’elettronica di potenza, è che il peso del rame impone un vincolo minimo sulla larghezza delle tracce. Questo perché un rame più pesante richiede più tempo per essere inciso, e tracce più strette su rame spesso potrebbero non essere prodotte in modo ripetibile durante tempi di incisione prolungati. Pertanto, una casa di fabbricazione può garantire solo una certa dimensione minima della traccia in funzione del peso del rame.

Di seguito è riportata una tabella che confronta i valori tipici di larghezza traccia e clearance di una casa di fabbricazione per tre valori di peso del rame e per strati interni ed esterni.

Potresti aver notato anche che la tabella separa i valori di larghezza delle tracce tra strati interni ed esterni. Una delle ragioni è che il rame degli strati interni non richiede la metallizzazione finale dei fori passanti e può avere una dimensione della traccia e una spaziatura consentita inferiori rispetto agli strati esterni. Nota che i valori di peso del rame qui riportati sono pesi di rame finiti, riferiti al peso del rame dopo la metallizzazione.

Componenti Bottom-Terminated a Passo Fine

Sebbene questa categoria di componenti includa grandi package BGA, non è limitata ai BGA. Molti QFN, LGA e persino alcuni componenti con terminali possono avere un passo pin ridotto, il che limita la larghezza delle tracce da usare per il routing verso questi componenti. Questo vincolo può applicarsi indipendentemente dal valore di impedenza richiesto o dal peso del rame.

I QFN o LGA a passo fine possono avere un passo pin fino a 0,5 mm, ovvero 20 mil. A questi passi, in genere si dispone solo di un margine di 8 o 10 mil per la larghezza della traccia nella fascia superiore. In altre parole, la larghezza della traccia per il routing verso quel componente sarà vincolata inferiormente dal peso del rame e superiormente dalla dimensione fisica dei pad nel footprint del componente.

Un aspetto importante da comprendere su questi componenti è che la larghezza di traccia consentita che può essere fatta passare nei pad del componente influenzerà la progettazione dello stackup quando è richiesto il controllo dell’impedenza. Ad esempio, se hai bisogno di una microstriscia larga 10 mil a 50 ohm che entra in un package QFN a passo fine, il dielettrico dello strato esterno non può essere più spesso di circa 5 mil.

Footprint BGA con Alto Numero di Pin

I footprint BGA possono eliminare la possibilità di fare routing tra pin o pad, in particolare quando il passo tra i pin è ridotto. Questi BGA e i campi di via usati per il fanout possono consentire il routing tra i pad, ma alla fine il passo delle sfere diventa così piccolo che non è possibile fare routing tra le via o i pad BGA senza violare i limiti di larghezza e clearance. Questo impone un limite superiore alla larghezza delle tracce che puoi usare, almeno nella regione del BGA.

La maggior parte dei progettisti prende questo valore di larghezza traccia e lo usa su tutta la scheda. Ciò avviene in parte per comodità nella configurazione delle regole di progettazione e dei vincoli, e in questo modo non è necessario creare una regola di neck-down durante il routing nel footprint BGA.

L’altro motivo per cui molti progettisti prendono questa larghezza massima della traccia imposta da un footprint BGA e la usano ovunque sulla scheda è che è altamente probabile che sulla scheda vi siano anche altri componenti a passo fine che possono beneficiare della stessa larghezza traccia. Questo è un altro buon motivo per impostare semplicemente una larghezza traccia preferita globale nelle regole di progettazione e usarla ovunque. Naturalmente esistono eccezioni, ad esempio per impedenza controllata o integrità del segnale, ma spesso anche questi aspetti vengono affrontati selezionando i giusti spessori dielettrici nello stackup del PCB.

Dimensione del Foro di Foratura della Via rispetto alla Larghezza della Traccia

Questa impostazione dei vincoli è molto meno comune, ma rappresenta un modo utile per evitare che un drill breakout dal pad di una via recida una traccia collegata. Questo è qualcosa che potresti fare in un prodotto consumer a basso costo o in un dispositivo usa e getta che non deve soddisfare standard di affidabilità o di lavorazione commerciali o militari.

I breakout durante la foratura sono mostrati nell’immagine seguente. A seconda della classe di prodotto IPC:

• I prodotti non critici possono ancora consentire breakout (Classe 1)
• Il breakout è limitato (Classe 2)
• Il breakout è vietato (Classe 3)

Queste tracce da 6 mil sono collegate a via con fori di foratura da 8 mil con anelli anulare inferiori alla Classe 2, con il potenziale rischio di breakout. Aumentare la larghezza della traccia a 10 mil o aggiungere tear drops aiuterà a garantire che una traccia non si stacchi quando vi è un’elevata deviazione della foratura.

Dall’immagine dovrebbe essere molto chiaro che, se il pad della via è piccolo, i breakout vicino al collegamento della traccia possono recidere completamente la traccia, e il PCB dovrebbe essere scartato. Tuttavia, come alternativa all’uso di pad di via più grandi, l’uso di una traccia più larga, maggiore del diametro del foro, garantirà che il breakout non separi completamente la traccia dal pad della via.

Impedenza Obiettivo

L’ultimo fattore che determina un vincolo sulla larghezza delle tracce ed è una conseguenza diretta della progettazione dello stackup è la dimensione della traccia necessaria per un’impedenza obiettivo. Se stai usando uno stackup standard di una casa di fabbricazione, alcuni stackup forniranno la dimensione della traccia per un’impedenza di 50 ohm, e poi adotteranno un approccio a impedenza controllata per le coppie differenziali.

Gli utenti di Altium Designer possono anche ottenere un calcolo dell’impedenza altamente accurato per tracce single-ended o coppie differenziali usando il risolutore di impedenza nel Layer Stack Manager. Questo si trova nella scheda Impedance e usa un motore integrato di risoluzione del campo elettromagnetico per calcolare l’impedenza senza perdite.

Il Layer Stack Manager in Altium Designer include un calcolatore di impedenza senza perdite.

Questo valore può quindi essere applicato come regola di progettazione nel file PcbDoc durante il routing. I valori di impedenza possono essere assegnati a singole net e classi di net e possono essere abilitati o disabilitati per strati specifici.

Dimensionamento delle Linee di Alimentazione

Alcuni dei casi elencati sopra riguardano tutti l’individuazione e l’impostazione della larghezza massima della traccia, oppure l’individuazione di una larghezza minima per il routing di tracce piccole. Ma che dire delle tracce o delle linee di alimentazione per l’elettronica di potenza?

Le linee di alimentazione possono essere definite e impostate usando una regola di progettazione, proprio come le tracce standard, ma tendono a richiedere clearance maggiori e larghezze superiori rispetto alle tracce standard. Queste clearance e dimensioni delle linee dipendono dalla tensione e dalla corrente sulla linea in questione, e l’IPC fornisce indicazioni sul dimensionamento delle linee per prevenire un’eccessiva caduta IR sulla linea di alimentazione.

Per dimensionare le larghezze delle tracce (o dei poligoni) in modo da prevenire un’eccessiva caduta di tensione e mantenere l’aumento di temperatura della linea al di sotto di un certo livello, lo standard IPC-2152 fornisce alcune indicazioni sull’area della sezione trasversale richiesta di una linea in rame. Queste indicazioni si trovano nelle tabelle sottostanti.

Queste tabelle mostrano come il limite di aumento della temperatura e la corrente siano correlati attraverso l’area della sezione trasversale: una sezione più grande consente una corrente maggiore per un dato aumento di temperatura ammesso. Ciò ha senso, poiché una sezione più grande riduce la densità di corrente e quindi riduce la caduta IR.

E per quanto riguarda tensione e clearance? I valori di clearance giocano un ruolo importante solo ad alta tensione e sono trattati in uno standard diverso (IPC-2221). La clearance richiesta per una determinata tensione continua o AC di picco può essere calcolata o determinata da tabelle. Abbiamo anche sviluppato un calcolatore per questo compito, disponibile in un altro articolo:

• Uso di un calcolatore di clearance IPC-2221 per PCB nella progettazione ad alta tensione

Il Miglior Software di Routing PCB per Applicare le Regole sulla Larghezza delle Tracce del PCB

Se vuoi assicurarti di mantenere la corretta larghezza delle tracce in tutto il progetto, inclusi valori diversi su layer differenti e in regioni diverse del layout PCB, hai bisogno di un software di progettazione PCB con un motore di regole di progettazione PCB potente e altamente configurabile. Questi limiti di larghezza delle tracce possono essere definiti usando un formato a matrice di vincoli oppure impostando limiti per diverse categorie di regole di progettazione PCB. Qualunque sia il metodo che preferisci per impostare i vincoli sulla larghezza delle tracce, il motore di regole di progettazione PCB di Altium Designer offre le funzionalità e la flessibilità necessarie per controllare la larghezza delle tracce ovunque nel tuo progetto.

Vincoli di larghezza delle tracce per layer

Il sistema di regole di progettazione PCB in Altium Designer consente agli utenti di creare query personalizzate che specificano dove si applica una regola di progettazione e a quali oggetti si applica. Per controllare le tracce su layer specifici o gruppi di layer, puoi usare la query OnLayer per selezionare le tracce su un layer specifico. Puoi anche creare un gruppo di layer, chiamato Layer Class, e usare la query InLayerClass per individuare le tracce su qualsiasi layer del gruppo.

In Altium Designer è possibile creare classi in modo che le regole di progettazione possano essere applicate a gruppi di oggetti all’interno di una classe.

Per definire la larghezza di una traccia per un layer specifico, crea una regola Routing Width e usa la relativa query di ambito per selezionare il layer o la classe di layer richiesta. Questo consente di applicare i valori minimo, preferito e massimo della larghezza delle tracce solo nei casi in cui la query corrispondente restituisce vero.

• Apri il PCB Rules and Constraints Editor e individua la categoria di regole Routing - Width.
• Crea una nuova regola Width per il layer o il gruppo di layer che richiede una larghezza traccia specifica.
• Inserisci una query OnLayer per un singolo layer, ad esempio OnLayer('Top Layer').
• Per più layer correlati, crea una Layer Class e usa una query InLayerClass per applicare la regola a quel gruppo.
• Inserisci i valori minimo, preferito e massimo della larghezza della traccia da applicare ai layer selezionati.
• Imposta correttamente la priorità della regola se un’altra regola Width potrebbe applicarsi agli stessi oggetti instradati.
• Instrada o modifica normalmente le tracce, lasciando che Altium Designer applichi i limiti di larghezza pertinenti in base al layer attivo.

Vincoli di larghezza delle tracce per regione

Applicare vincoli alla larghezza delle tracce per regione nel layout PCB è meno comune, ma è comunque possibile con il sistema di query interno di Altium Designer. Un oggetto Room può definire l’area fisica in cui deve applicarsi una regola di larghezza diversa, mentre la query WithinRoom identifica gli oggetti instradati situati all’interno di quell’area.

• Crea o posiziona una Room attorno alla porzione di PCB in cui è richiesta la larghezza traccia alternativa.
• Assegna alla Room un nome chiaro, in modo che possa essere richiamata nella query della regola di progettazione.
• Crea una nuova regola nella sezione Routing - Width del PCB Rules and Constraints Editor.
• Usa una query come WithinRoom('RoomName') per applicare la regola Width agli oggetti all’interno della Room specificata.
• Inserisci i valori minimo, preferito e massimo della larghezza delle tracce per quella regione.
• Regola la priorità della regola se la regola regionale si sovrappone a regole Width globali, specifiche per net o specifiche per layer.
• Instrada normalmente attraverso la Room, lasciando che la regola Width regionale controlli le dimensioni consentite della traccia.

Nel layout PCB è possibile definire delle Room per stabilire regioni in cui si applicano regole di progettazione specifiche.

Mantieni pratico il controllo della larghezza delle tracce

Le regole di progettazione PCB semplificano la gestione dei vincoli di instradamento, produzione ed elettrici, eliminando la necessità di tenere traccia manualmente delle eccezioni. Invece di fare affidamento su sistemi di vincoli rigidi o impostazioni globali, Altium Designer ti consente di definire regole basate sulle effettive strutture del PCB usando query personalizzate. Puoi applicare i vincoli di larghezza delle tracce per net, layer, componente o regione fisica, mantenendo una semplice regola globale e applicando automaticamente eccezioni ad alta priorità dove necessario.

Per saperne di più sul sistema di regole di progettazione PCB in Altium Designer, guarda il video qui sotto.

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Domande frequenti

In che modo il peso del rame influisce sulla larghezza minima delle tracce PCB?

Un rame più pesante richiede generalmente una larghezza minima della traccia maggiore, perché un rame più spesso richiede più tempo per essere inciso. Con l’aumento del tempo di incisione, le tracce molto strette diventano più difficili da produrre in modo costante. Il tuo produttore di PCB dovrebbe quindi specificare la larghezza minima delle tracce e la spaziatura in funzione del peso finale del rame, invece di fornire un unico valore minimo per ogni layer.

Quanto deve essere larga una traccia di alimentazione PCB per una determinata corrente?

La larghezza di una traccia di alimentazione PCB dovrebbe essere selezionata in base alla corrente, allo spessore del rame, all’aumento di temperatura consentito e alla caduta di tensione accettabile. IPC-2152 fornisce indicazioni per determinare l’area di sezione trasversale del rame richiesta. Una corrente più elevata o un aumento di temperatura ammesso più basso richiedono generalmente una sezione trasversale maggiore, ottenibile con una traccia più larga, rame più pesante oppure entrambi.

La larghezza delle tracce PCB può aiutare a prevenire guasti da breakout della foratura dei via?

Sì. Se una deviazione della foratura provoca un breakout vicino al punto in cui una traccia si collega a un pad di via, una traccia stretta può potenzialmente interrompersi. Utilizzare una traccia più larga del diametro di foratura del via fornisce rame aggiuntivo attorno alla connessione e riduce la probabilità che il breakout disconnetta completamente la traccia. Anche i teardrop possono fornire rame aggiuntivo nella transizione tra via e traccia.

Come posso impostare larghezze delle tracce diverse su diversi layer PCB in Altium Designer?

Crea regole separate Routing - Width nel PCB Rules and Constraints Editor e applica ciascuna regola al layer richiesto. Usa una query OnLayer per un singolo layer oppure crea una Layer Class e usa InLayerClass per più layer. Ogni regola può definire i propri valori minimo, preferito e massimo per la larghezza delle tracce, mentre la priorità della regola determina quale vincolo si applica quando le regole si sovrappongono.

In che modo il passo del BGA e la dimensione dei via limitano la larghezza delle tracce PCB?

Il passo del BGA determina quanto spazio di instradamento è disponibile tra i pad e i via di fanout. Con la diminuzione del passo delle sfere, diminuisce anche la larghezza massima della traccia che può passare attraverso la regione BGA. Con passi sufficientemente ridotti, l’instradamento tra pad o via potrebbe non essere più possibile senza violare i limiti di larghezza delle tracce e di distanza, richiedendo tracce più strette, via più piccoli o una diversa strategia di fanout.