Mity o kątach trasowania ścieżek na płytkach PCB: 45 kontra 90 stopni

Nigdy nie ma niczego złego w rozsądnej debacie, niezależnie od tego czy dotyczy ona składników na pizzy, czy też najbardziej filantropijnej celebrytki ostatnich miesięcy. W świecie redaktorów związanych z PCB, debatą która nie daje spokoju zarówno projektantom, jak i badaczom, jest ta koncentrująca się na tym czy miedziane ścieżki na płytkach PCB powinny być prowadzone pod kątem 45 czy też 90°, co pozwala finalnie uniknąć wielu wad projektowych, między innymi pułapek kwasowych.

Biorąc pod uwagę dostępną dziś technologię, to za wyjątkiem szczególnych okoliczności, generalnie nie ma znaczenia to, jakich kątów używamy w układzie. Projektując płytki PCB z wykorzystaniem nowoczesnego oprogramowania, narzędzia służące wyznaczaniu tras mogą automatycznie dostosowywać się do wyboru odpowiednich kątów, których chcesz używać lub które wymagane są na potrzeby konkretnego projektu.

Wpływ ścieżek o kącie prostym na emisję zakłóceń elektromagnetycznych

Inżynierowie zamartwiają się często obecnością ścieżek o kącie prostym na ich układach PCB z uwagi na możliwość wystąpienia zakłóceń elektromagnetycznych, w skrócie EMI (ang. Electromagnetic Interference), emitowanych na ostrych zakrętach ścieżek układu. Popularna opinia głosi, że sygnały o wysokiej częstotliwości emitują promieniowanie radiowe na każdym takim „zakręcie” wywołanym kątem 90° na miedzianej ścieżce. Twierdzenie to w zupełności wystarcza projektantom, aby całkowicie wyeliminować kąty proste ze swoich układów płytek PCB.

Jednakże, teoria zakładająca to, że elektrony poruszające się sygnałem o wysokiej prędkości nie są w stanie wykonywać nagłych zwrotów została już obalona przez doświadczonego inżyniera elektryka, doktora Howarda Johnsona. W rzeczywistości wygląda to tak, że elektrony odbijają się miliardy razy w różnych kierunkach, nawet przy niewielkiej długości ścieżki. Co za tym idzie, mają one tak naprawdę minimalne problemy z poruszaniem się po kątach o nachyleniu 90°.

Istnieją oczywiście pewne wyjątki od tej reguły. Mowa tu na przykład o projektowaniu ultraszybkiej płaszczyzny uziemienia na układzie PCB o zakresie równym lub wyższym niż 10 Ghz albo braniu udziału w projektach mikrofalowych, które wykorzystują ścieżki o szerokości ponad 100 milimetrów. W tak ekstremalnych warunkach faktycznie można martwić się obecnością kątów prostów na płytce PCB. W innym przypadku nie powinny być one zmartwieniem żadnego projektanta.

^{Martw się o kąty proste na swoim układzie jedynie w przypadku ultraszybkich układów.}

Aby rozstrzygnąć tę debatę raz i na zawsze, postanowiono kiedyś przeprowadzić badanie, którego celem było zmierzenie i porównanie emisji zakłóceń zarówno w przypadku kątów prostych, jak i tych wynoszących 45°, dla sygnału o wysokiej częstotliwości i do 17 ps impulsów narastających. Wyniki potwierdziły tezę Howarda Johnsona – w granicach testu nie było żadnych różnic w poziomie emisji EMI dla kątów wynoszących 45 i 90°. 

Dlaczego kąty 45° są tak powszechnie stosowane?

Werdykt zapadł – można całkowicie bezpiecznie trasować wykorzystując kąty proste, o ile nie pracujemy nad układami mikrofalowymi o niesamowicie wysokiej częstotliwości. Mit o stosowaniu jedynie kątów wynoszących 45° można więc włożyć między wiersze. Lecz zaraz, skoro od samego początku było to nieporozumienie, to dlaczego oprogramowanie służące projektowaniu układów PCB docelowo uwzględnia właśnie kąty 45° jako domyślną metodę trasowania ścieżek? Mało tego, dlaczego projektanci zaczęli korzystać z tych kątów w pierwszej kolejności?

Jak się okazuje w każdym micie jest ziarno prawdy. W przypadku wykorzystywania przy trasowaniu kątów 45°, mit ten można prześledzić aż do czasów, gdy produkcja płytek PCB nie stała jeszcze na tak zaawansowanym poziomie, jak ma to miejsce dzisiaj. W tamtych czasach, kąty proste lub inne, nieco zbyt ostre, stanowiły prawdziwe zagrożenie dla zakładów produkujących płytki drukowane. Ostre krawędzie mogły powodować powstawanie pułapek kwasowych, w których to zatrzymywały się kwasy wykorzystywane do wytrawiania powodując później korozję miedzi przy ostrych krawędziach. Inżynierowie obawiali się wówczas również o to, że krawędzie o kącie prostym nie są tak wytrzymałe, jak te o kącie 45° i można je przez to łatwo oderwać z płytki PCB.

Na szczęście to wszystko jest już pieśnią przeszłości. Dzisiejsze procesy produkcyjne płytek drukowanych gwarantują, że płaszczyzna uziemienia jest prawidłowo wytrawiana, niezależnie od tego czy przy trasowaniu wykorzystywane są kąty proste, czy też te o nachyleniu 45 stopni. Starsi inżynierowie w dalszym ciągu dziwią się jednak wykorzystywaniu kątów prostych i twardo obstają przy dawnych zasadach. W ich przypadku jest to jednak bardziej nawykiem niż jakąś sztywną regułą, której powinni byli się podporządkować.

^{Ostre krawędzie powodowały niegdyś problemy przy produkcji płytek drukowanych.} 

Dlaczego sam korzystam głównie z kątów 45°?

Pomimo tego, że wykorzystywanie kątów prostych przy trasowaniu ścieżek nie jest niczym złym, tak sam przykładam bardzo dużą uwagę temu, by przed wysłaniem projektu do produkcji, każdy kąt na moim projekcie miał 45°. I nie, nie jestem przy tym projektantem systemów RF. Moje zamiłowanie do wykorzystywania takich kątów bierze się z czegoś innego. Po prostu wyglądają one bardziej elegancko w porównaniu do kątów prostych.

Podsumowując, to jakie kąty wykorzystujemy przy trasowaniu ścieżek jest kwestią osobistych preferencji projektanta. Niemniej jednak, program Altium Designer^® jest już skonfigurowany do tego, aby perfekcyjnie trasować ścieżki pod kątem 45° i szczerze mówiąc korzystając z niego, nigdy nie miałem nawet najmniejszej potrzeby zmiany tych domyślnych ustawień. Projektując płytki upewnij się, że korzystasz z oprogramowania do projektowania PCB, które pozwala Ci dostosować pracę do swoich osobistych preferencji, tak jak robi to Altium.

Zastanawiają Cię kąty proste w Twoim projekcie płytki PCB? Zapytaj ekspertów z Altium o ich opinię na ten temat.