A maneira correta de definir a largura das trilhas de PCB

Aqui voltamos a uma questão fundamental de engenharia no projeto de PCB, e certamente uma que pode parecer bastante básica para o projetista iniciante. A pergunta é: como determinamos quais larguras de trilha usar em um determinado stackup?

Projetos simples construídos com cobre de 0,5 oz / 1 oz nas camadas internas/externas normalmente escolhem sua confiável largura de trilha de 8 mil/0,2 mm e seguem com o roteamento. Às vezes, essas placas precisam de um ajuste na largura da trilha para controle de impedância, mas, em geral, podemos escolher uma largura de trilha e mantê-la.

Em muitas outras situações, como projetos com componentes bottom-terminated densamente distribuídos, alto número de camadas, múltiplos perfis de impedância e cobre mais espesso, podemos descobrir que a confiável largura de trilha de 8 mil/0,2 mm já não atende mais. Este artigo analisará todos os casos em que precisamos determinar restrições de largura de trilha impostas pelo projeto do stackup e pelas capacidades do fabricante.

Sempre Comece Pelo Stackup da PCB

O stackup da PCB é, literal e figurativamente, a base do projeto da sua placa de circuito. Claro, ele sustenta os componentes que podem ser montados no projeto, mas também pode criar restrições sobre qual largura de trilha será usada para concluir o roteamento. A restrição sobre a largura de trilha usada no roteamento pode vir de várias áreas do projeto, e é responsabilidade do projetista determinar quais delas se aplicam a um layout ou produto específico.

Na verdade, o que os projetistas mais novos muitas vezes não entendem é que o stackup padrão encontrado na maioria dos sites de fabricantes não fornecerá essas restrições. Stackups padrão são destinados a projetos simples, nos quais não há restrições rígidas de largura de trilha e espaçamento. Muitas vezes, produtos reais exigem que o projetista assuma a responsabilidade pelo projeto do stackup e pela determinação das restrições associadas. Se você se encontra nessa situação, então preste atenção aos tópicos abaixo, que ajudarão a restringir a largura de trilha e o espaçamento a valores apropriados.

Capacidade do Fabricante e Peso do Cobre

O limite mínimo definitivo para a largura de trilha é imposto pelas capacidades da sua fábrica de PCB, mas isso não é um único número obtido em um site. Um ponto importante que muitos projetistas iniciantes não percebem, especialmente se pretendem trabalhar com eletrônica de potência, é que o peso do cobre impõe uma restrição mínima à largura de trilha. Isso ocorre porque cobre mais espesso leva mais tempo para ser atacado quimicamente, e trilhas mais estreitas em cobre espesso podem não ser produzidas de forma repetível ao longo de tempos de ataque prolongados. Portanto, uma fabricante só pode garantir um determinado tamanho mínimo de trilha em função do peso do cobre.

Abaixo há uma tabela comparando valores típicos de largura de trilha e espaçamento de uma fabricante para três valores de peso de cobre e para camadas internas e externas.

Você também pode ter notado que a tabela separa os valores de largura de trilha entre camadas internas e externas. Um dos motivos é que o cobre das camadas internas não requer metalização final dos furos passantes e pode ter tamanho de trilha e espaçamento menores do que as camadas externas. Observe que os valores de peso do cobre fornecidos aqui são pesos finais do cobre, referindo-se ao peso do cobre após a metalização.

Componentes Bottom-Terminated de Passo Fino

Embora essa categoria de componentes inclua grandes encapsulamentos BGA, ela não se limita a BGAs. Muitos QFNs, LGAs e até alguns componentes com terminais podem ter passo de pino pequeno, o que limita a largura de trilha que deve ser usada para o roteamento até esses componentes. Essa restrição pode se aplicar independentemente do valor de impedância exigido ou do peso do cobre.

QFNs ou LGAs de passo fino podem ter passo de pino de até 0,5 mm, ou 20 mil. Nesses passos, normalmente você só tem uma margem de 8 ou 10 mil para a largura de trilha no limite superior. Em outras palavras, a largura de trilha para o roteamento até esse componente será limitada no limite inferior pelo peso do cobre e, no limite superior, pelo tamanho físico dos pads no footprint do componente.

Um ponto importante a entender sobre esses componentes é que a largura de trilha permitida que cabe nos pads do componente influenciará o projeto do stackup quando for necessário controle de impedância. Por exemplo, se você precisar de uma microstrip de 10 mil de largura a 50 ohms entrando em um encapsulamento QFN de passo fino, o dielétrico da camada externa não poderá ser mais espesso do que aproximadamente 5 mil.

Footprints de BGA com Alta Contagem de Pinos

Footprints de BGA podem eliminar a possibilidade de roteamento entre pinos ou pads, especificamente quando o passo entre os pinos é pequeno. Esses BGAs e os campos de vias usados para fanouts podem permitir roteamento entre pads, mas em algum momento o passo das esferas se torna tão pequeno que você não consegue rotear entre as vias ou os pads do BGA sem violar os limites de largura e espaçamento. Isso estabelece um limite superior para a largura de trilha que você pode usar, pelo menos na região do BGA.

A maioria dos projetistas pega esse valor de largura de trilha e o usa em toda a placa. Isso ocorre parcialmente pela conveniência de configurar as regras e restrições de projeto, e dessa forma não é necessário criar uma regra de redução de largura ao rotear para dentro do footprint do BGA.

O outro motivo pelo qual muitos projetistas adotam essa largura máxima de trilha imposta por um footprint de BGA e a usam em toda a placa é porque é muito provável que existam outros componentes de passo fino na placa que também se beneficiem da mesma largura de trilha. Esse é mais um bom motivo para simplesmente definir uma largura de trilha preferencial global nas regras de projeto e usá-la em toda parte. Claro, há exceções, como nos casos de impedância controlada ou integridade de sinal, mas muitas vezes essas também são tratadas pela seleção das espessuras dielétricas corretas no stackup da PCB.

Tamanho do Furo de Via versus Largura de Trilha

Essa configuração de restrição é bem menos comum, mas é uma forma útil de evitar que um drill breakout em um pad de via seccione uma trilha conectada. Isso é algo que você pode fazer em um produto de consumo de baixo custo ou em um dispositivo descartável que não precise atingir padrões comerciais ou militares de confiabilidade ou de fabricação.

Breakouts durante a furação são mostrados na imagem abaixo. Dependendo da classe de produto IPC:

• Produtos não críticos ainda podem permitir breakout (Classe 1)
• Breakout é limitado (Classe 2)
• Breakout é proibido (Classe 3)

Essas trilhas de 6 mil estão conectadas a vias com furos de 8 mil e anéis anulares abaixo da Classe 2, potencialmente levando a breakout. Aumentar a largura da trilha para 10 mil ou adicionar tear drops ajudará a garantir que uma trilha não se desprenda quando houver grande desvio da broca.

Pela imagem, deve ficar bem claro que, se o pad da via for pequeno, breakouts próximos à conexão da trilha podem seccionar completamente a trilha, e a PCB precisaria ser descartada. No entanto, como alternativa ao uso de pads de via maiores, usar uma trilha mais larga do que o diâmetro da broca garantirá que o breakout não seccione completamente a trilha do pad da via.

Impedância Alvo

O fator final que determina uma restrição de largura de trilha e que é consequência direta do projeto do stackup é o tamanho da trilha necessário para uma impedância alvo. Se você estiver usando um stackup padrão de uma fabricante, alguns stackups fornecerão o tamanho da trilha para impedância de 50 ohms, e então adotarão uma abordagem de impedância controlada para pares diferenciais.

Usuários do Altium Designer também podem obter um cálculo de impedância altamente preciso para trilhas single-ended ou pares diferenciais usando o solucionador de impedância no Layer Stack Manager. Ele está localizado na aba Impedance e usa um mecanismo integrado de solucionador de campo eletromagnético para calcular a impedância sem perdas.

O Layer Stack Manager no Altium Designer inclui uma calculadora de impedância sem perdas.

Esse valor pode então ser aplicado como uma regra de projeto no seu arquivo PcbDoc durante o roteamento. Valores de impedância podem ser atribuídos a nets individuais e classes de net e podem ser ativados ou desativados para camadas específicas.

Dimensionamento de Barramentos de Alimentação

Alguns dos casos listados acima tratam de encontrar e definir a largura máxima de trilha, ou de encontrar uma largura mínima de trilha para rotear trilhas pequenas. Mas e quanto às trilhas ou barramentos para eletrônica de potência?

Barramentos de alimentação podem ser definidos e configurados usando uma regra de projeto, assim como trilhas padrão, mas tendem a exigir maior espaçamento e maior largura do que trilhas padrão. Esses espaçamentos e dimensões de barramento dependem da tensão e da corrente no barramento em questão, e há orientações da IPC sobre o dimensionamento de barramentos para evitar queda de tensão IR excessiva no barramento de alimentação.

Para dimensionar larguras de trilha (ou polígono) a fim de evitar queda excessiva de tensão e manter a elevação de temperatura do barramento abaixo de um certo nível, a norma IPC-2152 fornece algumas orientações sobre a área de seção transversal necessária de um barramento de cobre. Essas orientações são encontradas nas tabelas abaixo.

Essas tabelas mostram como a limitação de elevação de temperatura e a corrente estão relacionadas pela área da seção transversal: uma seção transversal maior permite corrente mais alta para uma determinada elevação de temperatura permitida. Isso faz sentido, pois uma seção transversal maior reduz a densidade de corrente e, portanto, reduz a queda IR.

Mas e quanto à tensão e ao espaçamento? Valores de espaçamento só desempenham um papel importante em alta tensão e são abordados em uma norma diferente (IPC-2221). O espaçamento necessário para uma determinada tensão CC/CA de pico pode ser calculado ou determinado a partir de tabelas. Também desenvolvemos uma calculadora para essa tarefa, encontrada em outro artigo:

• Usando uma Calculadora de Espaçamento de PCB IPC-2221 para Projeto em Alta Tensão

Melhor Software de Roteamento de PCB para Aplicar Regras de Largura de Trilha em PCB

Se você quiser garantir que mantenha a largura de trilha correta em todo o seu projeto, incluindo valores diferentes em diferentes camadas e em diferentes regiões do layout da PCB, você precisa de um software de projeto de PCB com um mecanismo de regras de projeto de PCB poderoso e altamente configurável. Esses limites de largura de trilha podem ser definidos usando um formato de matriz de restrições ou configurando limites para diferentes categorias de regras de projeto de PCB. Independentemente de como você prefira configurar suas restrições de largura de trilha, o mecanismo de regras de projeto de PCB do Altium Designer oferece os recursos e a flexibilidade necessários para controlar a largura de trilha em todo o seu projeto.

Restrições de Largura de Trilha por Camada

O sistema de regras de projeto de PCB no Altium Designer permite que os usuários criem consultas personalizadas especificando onde uma regra de projeto se aplica e a quais objetos ela se aplica. Para controlar trilhas em camadas específicas ou grupos de camadas, você usaria a consulta OnLayer para selecionar trilhas em uma camada específica. Você também pode criar um grupo de camadas, chamado Layer Class, e usar a consulta InLayerClass para indicar trilhas em qualquer camada do grupo.

As classes podem ser criadas no Altium Designer para que as regras de projeto possam ser aplicadas a grupos de objetos dentro de uma classe.

Para definir uma largura de trilha para uma camada específica, crie uma regra Routing Width e use sua consulta de escopo para selecionar a camada ou classe de camadas necessária. Isso permite que as larguras mínima, preferencial e máxima da trilha sejam aplicadas apenas onde a consulta correspondente for avaliada como verdadeira.

• Abra o PCB Rules and Constraints Editor e localize a categoria de regra Routing - Width.
• Crie uma nova regra Width para a camada ou grupo de camadas que precisa de uma largura de trilha exclusiva.
• Insira uma consulta OnLayer para uma única camada, como OnLayer('Top Layer').
• Para várias camadas relacionadas, crie uma Layer Class e use uma consulta InLayerClass para aplicar a regra a esse grupo.
• Insira os valores de largura de trilha mínima, preferencial e máxima que devem se aplicar às camadas selecionadas.
• Defina a prioridade da regra adequadamente caso outra regra Width também possa se aplicar aos mesmos objetos roteados.
• Roteie ou modifique trilhas normalmente, permitindo que o Altium Designer aplique os limites de largura aplicáveis com base na camada ativa.

Restrições de Largura de Trilha por Região

Restringir a largura de trilha por região no layout da PCB é menos comum, mas também é possível com o sistema de consultas no Altium Designer. Um objeto Room pode definir a área física onde uma regra de largura diferente deve se aplicar, enquanto a consulta WithinRoom identifica objetos roteados localizados dentro dessa área.

• Crie ou posicione um Room ao redor da parte da PCB onde a largura de trilha alternativa é necessária.
• Dê ao Room um nome claro para que ele possa ser referenciado na consulta da regra de projeto.
• Crie uma nova regra em Routing - Width no PCB Rules and Constraints Editor.
• Use uma consulta como WithinRoom('RoomName') para aplicar o escopo da regra Width aos objetos dentro do Room especificado.
• Insira os valores de largura de trilha mínima, preferencial e máxima para essa região.
• Ajuste a prioridade da regra se a regra regional se sobrepuser a regras Width globais, específicas de net ou específicas de camada.
• Roteie através do Room normalmente, permitindo que a regra Width regional controle as dimensões de trilha permitidas.

Rooms podem ser definidos no layout da PCB para estabelecer regiões onde regras de projeto específicas se aplicam.

Mantenha o Controle da Largura de Trilha Prático

As regras de projeto de PCB simplificam o gerenciamento de restrições de roteamento, fabricação e elétricas, eliminando a necessidade de acompanhar exceções manualmente. Em vez de depender de sistemas de restrições rígidos ou configurações globais, o Altium Designer permite definir regras com base em estruturas reais da PCB usando consultas personalizadas. Você pode aplicar restrições de largura de trilha por net, camada, componente ou região física, mantendo uma regra global simples e aplicando automaticamente exceções de alta prioridade onde necessário.

Para saber mais sobre o sistema de regras de projeto de PCB no Altium Designer, assista ao vídeo abaixo.

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Perguntas Frequentes

Como o peso do cobre afeta a largura mínima de trilha da PCB?

Um cobre mais pesado geralmente exige uma largura mínima de trilha maior, porque cobre mais espesso leva mais tempo para ser atacado quimicamente. À medida que o tempo de ataque aumenta, trilhas muito estreitas se tornam mais difíceis de fabricar de forma consistente. Portanto, seu fabricante de PCB deve especificar a largura mínima de trilha e o espaçamento em função do peso final do cobre, em vez de fornecer um único valor mínimo para todas as camadas.

Qual deve ser a largura de uma trilha de alimentação da PCB para uma determinada corrente?

A largura da trilha de alimentação da PCB deve ser selecionada com base na corrente, espessura do cobre, elevação de temperatura permitida e queda de tensão aceitável. A IPC-2152 fornece orientação para determinar a área de seção transversal de cobre necessária. Corrente mais alta ou uma menor elevação de temperatura permitida geralmente exige uma seção transversal maior, o que pode ser obtido com uma trilha mais larga, cobre mais pesado, ou ambos.

A largura de trilha da PCB pode ajudar a evitar falhas de breakout na furação de vias?

Sim. Se o desvio da broca causar breakout próximo ao ponto onde uma trilha se conecta a um pad de via, uma trilha estreita pode potencialmente ser rompida. Usar uma trilha mais larga que o diâmetro da furação da via fornece cobre adicional ao redor da conexão e reduz a chance de que o breakout desconecte completamente a trilha. Teardrops também podem fornecer cobre adicional na transição entre via e trilha.

Como defino larguras de trilha diferentes em diferentes camadas da PCB no Altium Designer?

Crie regras Routing - Width separadas no PCB Rules and Constraints Editor e aplique o escopo de cada regra à camada necessária. Use uma consulta OnLayer para uma única camada ou crie uma Layer Class e use InLayerClass para várias camadas. Cada regra pode definir suas próprias larguras de trilha mínima, preferencial e máxima, com a prioridade da regra determinando qual restrição se aplica quando as regras se sobrepõem.

Como o pitch de BGA e o tamanho da via limitam a largura de trilha da PCB?

O pitch do BGA determina quanto espaço de roteamento está disponível entre pads e vias de fanout. À medida que o pitch das esferas diminui, a largura máxima de trilha que pode passar pela região do BGA também diminui. Em pitches suficientemente pequenos, o roteamento entre pads ou vias pode deixar de ser possível sem violar os limites de largura de trilha e espaçamento, exigindo trilhas mais estreitas, vias menores ou uma estratégia de fanout diferente.