Właściwy sposób określania szerokości ścieżek PCB

Wracamy tu do fundamentalnego pytania inżynierskiego w projektowaniu PCB — i z pewnością takiego, które początkującemu projektantowi może wydawać się dość podstawowe. Pytanie brzmi: jak określić, jakich szerokości ścieżek użyć w danym stackupie?

W prostych projektach opartych na miedzi o grubości 0,5 oz / 1 oz na warstwach wewnętrznych i zewnętrznych zwykle wybiera się sprawdzoną szerokość ścieżki 8 mil / 0,2 mm i po prostu przechodzi do trasowania. Czasami takie płytki wymagają korekty szerokości ścieżki ze względu na kontrolę impedancji, ale zazwyczaj można wybrać jedną szerokość ścieżki i konsekwentnie się jej trzymać.

W wielu innych sytuacjach, takich jak projekty z gęsto upakowanymi elementami montowanymi od spodu, dużą liczbą warstw, wieloma profilami impedancji oraz grubszą miedzią, może się okazać, że sprawdzona szerokość ścieżki 8 mil / 0,2 mm już się nie sprawdza. W tym artykule omówimy wszystkie przypadki, w których trzeba określić ograniczenia szerokości ścieżek wynikające z projektu stackupu i możliwości producenta płytek.

Zawsze zaczynaj od stackupu PCB

Stackup PCB jest — dosłownie i w przenośni — fundamentem projektu płytki drukowanej. Oczywiście to on stanowi bazę dla komponentów montowanych w projekcie, ale może też narzucać ograniczenia dotyczące szerokości ścieżek używanych do zakończenia trasowania. Ograniczenia dotyczące szerokości ścieżek stosowanych podczas trasowania mogą wynikać z wielu obszarów projektu, a obowiązkiem projektanta jest określenie, które z nich mają zastosowanie do konkretnego układu lub produktu.

W rzeczywistości to, czego często nie rozumieją mniej doświadczeni projektanci, to fakt, że standardowy stackup dostępny na stronach internetowych większości producentów nie poda tych ograniczeń. Standardowe stackupy są przeznaczone dla prostych projektów, w których nie ma ścisłych wymagań dotyczących szerokości ścieżek i odstępów. Często bywa tak, że rzeczywiste produkty wymagają od projektanta przejęcia odpowiedzialności za projekt stackupu oraz określenie związanych z nim ograniczeń. Jeśli jesteś w takiej sytuacji, zwróć uwagę na poniższe obszary, które pomogą dobrać odpowiednie wartości szerokości ścieżek i odstępów.

Możliwości producenta i grubość miedzi

Ostateczne minimalne ograniczenie szerokości ścieżki narzucają możliwości zakładu produkcyjnego, ale nie jest to jedna wartość, którą można po prostu znaleźć na stronie internetowej. Ważna kwestia, której wielu początkujących projektantów nie dostrzega — zwłaszcza jeśli planują pracować w elektronice mocy — polega na tym, że grubość miedzi narzuca minimalne ograniczenie szerokości ścieżki. Wynika to z faktu, że grubsza miedź wymaga dłuższego trawienia, a wąskie ścieżki na grubej miedzi mogą nie dawać się powtarzalnie wykonywać przy długim czasie trawienia. Dlatego producent płytek może zagwarantować tylko określony minimalny rozmiar ścieżki jako funkcję grubości miedzi.

Poniżej znajduje się tabela porównująca typowe wartości szerokości ścieżek i odstępów oferowane przez producenta płytek dla trzech wartości grubości miedzi oraz dla warstw wewnętrznych i zewnętrznych.

Być może zauważyłeś także, że tabela rozdziela wartości szerokości ścieżek na warstwy wewnętrzne i zewnętrzne. Jednym z powodów jest to, że miedź na warstwach wewnętrznych nie wymaga końcowego metalizowania otworów przelotowych i może mieć mniejszy dopuszczalny rozmiar ścieżki oraz odstęp niż warstwy zewnętrzne. Należy pamiętać, że podane tutaj wartości grubości miedzi odnoszą się do końcowej grubości miedzi, czyli po procesie metalizacji.

Elementy o drobnym rastrze z wyprowadzeniami od spodu

Choć do tej kategorii należą duże obudowy BGA, nie ogranicza się ona wyłącznie do BGA. Wiele obudów QFN, LGA, a nawet niektóre elementy z wyprowadzeniami może mieć mały raster wyprowadzeń, co ogranicza szerokość ścieżki, jakiej należy użyć do trasowania do tych komponentów. Ograniczenie to może obowiązywać niezależnie od wymaganej wartości impedancji czy grubości miedzi.

Obudowy QFN lub LGA o drobnym rastrze mogą mieć raster wyprowadzeń nawet 0,5 mm, czyli 20 mil. Przy takim rastrze zazwyczaj pozostaje jedynie około 8 lub 10 mil dostępnej szerokości ścieżki przy górnej granicy. Innymi słowy, szerokość ścieżki prowadzonej do takiego komponentu będzie ograniczona od dołu przez grubość miedzi, a od góry przez fizyczny rozmiar padów w footprintcie komponentu.

Ważne jest zrozumienie, że dopuszczalna szerokość ścieżki, którą można poprowadzić do padów takiego komponentu, będzie wpływać na projekt stackupu, gdy wymagana jest kontrola impedancji. Na przykład jeśli trzeba doprowadzić do obudowy QFN o drobnym rastrze mikropaskową ścieżkę 10 mil o impedancji 50 omów, dielektryk warstwy zewnętrznej nie może być grubszy niż około 5 mil.

Footprinty BGA z dużą liczbą wyprowadzeń

Footprinty BGA mogą uniemożliwiać prowadzenie ścieżek między wyprowadzeniami lub padami, szczególnie gdy raster kulek jest mały. Takie układy BGA oraz pola przelotek używane do fanoutu mogą jeszcze pozwalać na prowadzenie ścieżek między padami, ale ostatecznie raster kulek staje się na tyle mały, że nie da się już prowadzić ścieżek między przelotkami lub padami BGA bez naruszenia ograniczeń szerokości i odstępów. To wyznacza górną granicę szerokości ścieżki, jakiej można użyć, przynajmniej w obszarze BGA.

Większość projektantów bierze tę wartość szerokości ścieżki i stosuje ją na całej płytce. Częściowo wynika to z wygody przy konfigurowaniu reguł projektowych i ograniczeń, a także z tego, że nie trzeba wtedy tworzyć reguły zwężania ścieżki podczas wchodzenia w footprint BGA.

Innym powodem, dla którego wielu projektantów przyjmuje tę maksymalną szerokość ścieżki narzuconą przez footprint BGA i stosuje ją wszędzie na płytce, jest duże prawdopodobieństwo, że na płytce znajdują się również inne komponenty o drobnym rastrze, które także skorzystają z tej samej szerokości ścieżki. To kolejny dobry powód, aby po prostu ustawić globalnie preferowaną szerokość ścieżki w regułach projektowych i używać jej wszędzie. Oczywiście istnieją wyjątki, takie jak kontrolowana impedancja lub integralność sygnału, ale często można je również uwzględnić poprzez dobór odpowiednich grubości dielektryków w stackupie PCB.

Rozmiar otworu wierconego przelotki a szerokość ścieżki

Takie ustawienie ograniczeń występuje znacznie rzadziej, ale jest użytecznym sposobem zapobiegania sytuacji, w której breakout wiercenia od pada przelotki przetnie podłączoną ścieżkę. To rozwiązanie można zastosować w niskokosztowym produkcie konsumenckim lub w urządzeniu jednorazowego użytku, które nie musi spełniać komercyjnych ani wojskowych norm niezawodności czy jakości wykonania.

Przykłady breakoutów podczas wiercenia pokazano na poniższym obrazie. W zależności od klasy produktu IPC:

• W produktach niekrytycznych breakout jest nadal dopuszczalny (Klasa 1)
• Breakout jest ograniczony (Klasa 2)
• Breakout jest zabroniony (Klasa 3)

Te ścieżki 6 mil są połączone z przelotkami z otworami wierconymi 8 mil i pierścieniami annularnymi poniżej wymagań Klasy 2, co może prowadzić do breakoutów. Zwiększenie szerokości ścieżki do 10 mil lub dodanie tear dropów pomoże zapewnić, że ścieżka nie oderwie się przy dużym przesunięciu wiercenia.

Na podstawie obrazu powinno być bardzo wyraźnie widać, że jeśli pad przelotki jest mały, breakouty w pobliżu połączenia ze ścieżką mogą całkowicie przeciąć ścieżkę i płytkę PCB trzeba będzie zezłomować. Jednak alternatywnie wobec stosowania większych padów przelotek można użyć szerszej ścieżki o szerokości większej niż średnica wierconego otworu, co zapewni, że breakout nie odetnie całkowicie ścieżki od pada przelotki.

Docelowa impedancja

Ostatnim czynnikiem określającym ograniczenie szerokości ścieżki, będącym bezpośrednią konsekwencją projektu stackupu, jest rozmiar ścieżki potrzebny do uzyskania docelowej impedancji. Jeśli korzystasz ze standardowego stackupu od producenta płytek, niektóre stackupy podają rozmiar ścieżki dla impedancji 50 omów, a następnie kwestie par różnicowych rozwiązują w ramach podejścia do kontrolowanej impedancji.

Użytkownicy Altium Designer mogą również uzyskać bardzo dokładne obliczenia impedancji dla ścieżek single-ended lub par różnicowych, korzystając z solvera impedancji w Layer Stack Manager. Funkcja ta znajduje się na karcie Impedance i wykorzystuje wbudowany silnik solvera pola elektromagnetycznego do obliczania bezstratnej impedancji.

Layer Stack Manager w Altium Designer zawiera kalkulator bezstratnej impedancji.

Tę wartość można następnie wymusić jako regułę projektową w pliku PcbDoc podczas trasowania. Wartości impedancji można przypisywać do poszczególnych sieci i klas sieci oraz włączać lub wyłączać dla określonych warstw.

Wymiarowanie szyn zasilających

Niektóre z wymienionych wyżej przypadków dotyczą wyznaczania i ustawiania maksymalnej szerokości ścieżki albo znajdowania minimalnej szerokości ścieżki dla cienkich połączeń. Ale co ze ścieżkami lub szynami stosowanymi w elektronice mocy?

Szyny zasilające można definiować i konfigurować za pomocą reguły projektowej, podobnie jak standardowe ścieżki, ale zwykle wymagają one większych odstępów i większej szerokości niż standardowe ścieżki. Te odstępy i rozmiary szyn zależą od napięcia i prądu danej szyny, a IPC dostarcza wytycznych dotyczących wymiarowania szyn tak, aby zapobiec nadmiernemu spadkowi IR na szynie zasilającej.

Aby dobrać szerokości ścieżek (lub poligonów) tak, by zapobiec nadmiernemu spadkowi napięcia i utrzymać wzrost temperatury szyny poniżej określonego poziomu, norma IPC-2152 zawiera wytyczne dotyczące wymaganej powierzchni przekroju poprzecznego miedzianej szyny. Wytyczne te przedstawiono w poniższych tabelach.

Tabele te pokazują, jak ograniczenie wzrostu temperatury i prąd są powiązane przez pole przekroju poprzecznego: większy przekrój pozwala na wyższy prąd przy danym dopuszczalnym wzroście temperatury. Ma to sens, ponieważ większy przekrój zmniejsza gęstość prądu, a tym samym redukuje spadek IR.

A co z napięciem i odstępem? Wartości odstępów odgrywają istotną rolę głównie przy wysokich napięciach i są omawiane w innej normie (IPC-2221). Wymagany odstęp dla danego napięcia DC/szczytowego AC można obliczyć lub odczytać z tabel. Opracowaliśmy również kalkulator do tego zadania, opisany w innym artykule:

• Korzystanie z kalkulatora odstępów PCB IPC-2221 w projektowaniu wysokonapięciowym

Najlepsze oprogramowanie do trasowania PCB do egzekwowania reguł szerokości ścieżek PCB

Jeśli chcesz mieć pewność, że w całym projekcie zachowujesz właściwą szerokość ścieżek — w tym różne wartości na różnych warstwach i w różnych obszarach układu PCB — potrzebujesz oprogramowania do projektowania PCB z wydajnym i bardzo konfigurowalnym silnikiem reguł projektowych PCB. Limity szerokości ścieżek można definiować w formacie macierzy ograniczeń lub poprzez ustawianie limitów dla różnych kategorii reguł projektowych PCB. Niezależnie od tego, jak wolisz skonfigurować ograniczenia szerokości ścieżek, silnik reguł projektowych PCB w Altium Designer zapewnia możliwości i elastyczność potrzebne do kontrolowania szerokości ścieżek w całym projekcie.

Ograniczenia szerokości ścieżek według warstwy

System reguł projektowych PCB w Altium Designer pozwala użytkownikom tworzyć niestandardowe zapytania określające, gdzie dana reguła projektowa ma być stosowana i do jakich obiektów się odnosi. Aby kontrolować ścieżki na określonych warstwach lub grupach warstw, używa się zapytania OnLayer do wyboru ścieżek na konkretnej warstwie. Można także utworzyć grupę warstw, zwaną klasą warstw (Layer Class), i użyć zapytania InLayerClass do wskazania ścieżek na dowolnej warstwie w tej grupie.

W Altium Designer można tworzyć klasy, dzięki czemu reguły projektowe mogą być stosowane do grup obiektów należących do danej klasy.

Aby zdefiniować szerokość ścieżki dla konkretnej warstwy, utwórz regułę Routing Width i użyj jej zapytania zakresu, aby wybrać wymaganą warstwę lub klasę warstw. Pozwala to wymuszać minimalną, preferowaną i maksymalną szerokość ścieżki tylko tam, gdzie odpowiadające zapytanie zostanie ocenione jako prawdziwe.

• Otwórz PCB Rules and Constraints Editor i znajdź kategorię reguł Routing - Width.
• Utwórz nową regułę Width dla warstwy lub grupy warstw, która wymaga unikalnej szerokości ścieżki.
• Wprowadź zapytanie OnLayer dla pojedynczej warstwy, na przykład OnLayer('Top Layer').
• W przypadku wielu powiązanych warstw utwórz Layer Class i użyj zapytania InLayerClass, aby ograniczyć zakres reguły do tej grupy.
• Wprowadź wartości minimalnej, preferowanej i maksymalnej szerokości ścieżki, które mają obowiązywać dla wybranych warstw.
• Ustaw odpowiednio priorytet reguły, jeśli inna reguła Width również może mieć zastosowanie do tych samych trasowanych obiektów.
• Trasuj lub modyfikuj ścieżki w zwykły sposób, pozwalając Altium Designer egzekwować odpowiednie limity szerokości w zależności od aktywnej warstwy.

Ograniczenia szerokości ścieżek według obszaru

Ograniczanie szerokości ścieżek według obszaru w układzie PCB jest mniej powszechne, ale jest również możliwe dzięki systemowi zapytań w Altium Designer. Obiekt Room może definiować fizyczny obszar, w którym ma obowiązywać inna reguła szerokości, natomiast zapytanie WithinRoom identyfikuje trasowane obiekty znajdujące się wewnątrz tego obszaru.

• Utwórz lub umieść Room wokół części PCB, w której wymagana jest alternatywna szerokość ścieżki.
• Nadaj obiektowi Room czytelną nazwę, aby można było się do niej odwołać w zapytaniu reguły projektowej.
• Utwórz nową regułę w sekcji Routing - Width w PCB Rules and Constraints Editor.
• Użyj zapytania takiego jak WithinRoom('RoomName'), aby ograniczyć regułę Width do obiektów wewnątrz określonego Room.
• Wprowadź wartości minimalnej, preferowanej i maksymalnej szerokości ścieżki dla tego obszaru.
• Dostosuj priorytet reguły, jeśli reguła regionalna nakłada się na globalne reguły Width, reguły specyficzne dla sieci lub reguły specyficzne dla warstwy.
• Trasuj ścieżki przez Room w zwykły sposób, pozwalając regionalnej regule Width kontrolować dozwolone wymiary ścieżek.

W układzie PCB można definiować Room, aby wyznaczać obszary, w których obowiązują określone reguły projektowe.

Utrzymuj kontrolę szerokości ścieżek w praktycznych ramach

Reguły projektowe PCB upraszczają zarządzanie trasowaniem, produkcją i ograniczeniami elektrycznymi, eliminując potrzebę ręcznego śledzenia wyjątków. Zamiast polegać na sztywnych systemach ograniczeń lub ustawieniach globalnych, Altium Designer pozwala definiować reguły na podstawie rzeczywistych struktur PCB przy użyciu niestandardowych zapytań. Możesz określać zakres ograniczeń szerokości ścieżek według sieci, warstwy, komponentu lub obszaru fizycznego, zachowując prostą regułę globalną i jednocześnie automatycznie wymuszając wyjątki o wysokim priorytecie tam, gdzie jest to potrzebne.

Aby dowiedzieć się więcej o systemie reguł projektowych PCB w Altium Designer, obejrzyj poniższy film.

Niezależnie od tego, czy tworzysz niezawodną elektronikę mocy, czy zaawansowane systemy cyfrowe, korzystaj z kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD firmy Altium. Altium zapewnia wiodącą na świecie platformę do rozwoju produktów elektronicznych, wyposażoną w najlepsze w branży narzędzia do projektowania PCB oraz funkcje współpracy międzydyscyplinarnej dla zaawansowanych zespołów projektowych. Skontaktuj się dziś z ekspertem Altium!

Często zadawane pytania

Jak masa miedzi wpływa na minimalną szerokość ścieżki PCB?

Większa masa miedzi zazwyczaj wymaga większej minimalnej szerokości ścieżki, ponieważ grubsza miedź trawi się dłużej. Wraz ze wzrostem czasu trawienia bardzo wąskie ścieżki stają się trudniejsze do powtarzalnego wykonania. Dlatego producent PCB powinien określić minimalną szerokość ścieżki i odstępy jako funkcję końcowej masy miedzi, zamiast podawać jedną minimalną wartość dla każdej warstwy.

Jak szeroka powinna być ścieżka zasilająca PCB dla danego prądu?

Szerokość ścieżki zasilającej PCB należy dobrać na podstawie prądu, grubości miedzi, dopuszczalnego wzrostu temperatury i akceptowalnego spadku napięcia. IPC-2152 zawiera wytyczne dotyczące określania wymaganej powierzchni przekroju poprzecznego miedzi. Większy prąd lub niższy dopuszczalny wzrost temperatury zazwyczaj wymaga większego przekroju, co można osiągnąć przez szerszą ścieżkę, większą masę miedzi lub oba te rozwiązania jednocześnie.

Czy szerokość ścieżki PCB może pomóc zapobiegać awariom związanym z wybiciem otworu przy wierceniu przelotek?

Tak. Jeśli odchylenie wiercenia spowoduje wybicie w pobliżu punktu, w którym ścieżka łączy się z padem przelotki, wąska ścieżka może potencjalnie zostać przerwana. Zastosowanie ścieżki szerszej niż średnica wierconego otworu przelotki zapewnia dodatkową ilość miedzi wokół połączenia i zmniejsza prawdopodobieństwo, że wybicie całkowicie odetnie ścieżkę. Teardrops mogą również zapewnić dodatkową ilość miedzi w przejściu między przelotką a ścieżką.

Jak ustawić różne szerokości ścieżek na różnych warstwach PCB w Altium Designer?

Utwórz osobne reguły Routing - Width w PCB Rules and Constraints Editor i ogranicz zakres każdej reguły do wymaganej warstwy. Użyj zapytania OnLayer dla pojedynczej warstwy albo utwórz Layer Class i użyj InLayerClass dla wielu warstw. Każda reguła może definiować własne minimalne, preferowane i maksymalne szerokości ścieżek, a priorytet reguł określa, które ograniczenie obowiązuje, gdy reguły się nakładają.

Jak raster BGA i rozmiar przelotek ograniczają szerokość ścieżek PCB?

Raster BGA określa, ile miejsca na trasowanie jest dostępne między padami i przelotkami fanout. Wraz ze zmniejszaniem rastra kulek maksymalna szerokość ścieżki, która może przejść przez obszar BGA, również się zmniejsza. Przy odpowiednio małych rastrach trasowanie między padami lub przelotkami może przestać być możliwe bez naruszania ograniczeń szerokości ścieżek i odstępów, co wymaga węższych ścieżek, mniejszych przelotek lub innej strategii fanout.