Was ist Linienbreite?

Beginnen wir mit den Grundlagen. Was genau ist die Spurbreite? Warum ist es wichtig, eine bestimmte Leiterbahnbreite anzugeben? Der Zweck der PCB Verdrahtung ist es, jede Art von elektrischem Signal (analog, digital oder Strom) von einem Knoten zum anderen zu verbinden.

Ein Knoten kann ein Pin einer Komponente, ein Zweig einer größeren Leiterbahn oder Ebene oder ein leerer Pad oder Testpunkt zum Testen sein. Leiterbahnbreiten werden normalerweise in Mil oder Tausend Zoll gemessen. Standardkabelbreiten für normale Signale (keine besonderen Anforderungen) können mehrere Zoll lang im Bereich von 7-12 mil sein, aber viele Faktoren sollten bei der Definition der Kabelbreite und -länge berücksichtigt werden.

Die Anwendung bestimmt in der Regel die Verdrahtungsbreite und den Verdrahtungstyp im PCB-Design und gleicht zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Regel die PCB-Herstellungskosten, die Leiterplattendichte/-größe und die Leistung aus. Wenn die Platine spezielle Designanforderungen hat, wie Geschwindigkeitsoptimierung, Rausch- oder Kopplungsunterdrückung oder hohe Ströme/Spannungen, kann die Breite und Art der Leiterbahn wichtiger sein als die Optimierung der Herstellungskosten einer unbestückten Platine oder der Gesamtplatinengröße.

Spezifikation zur Verdrahtung in der Leiterplattenfertigung

Typischerweise erhöhen die folgenden Spezifikationen in Bezug auf die Verdrahtung die Herstellungskosten von blanken PCBS.

Aufgrund strengerer Leiterplattentoleranzen und der für die Herstellung, Inspektion oder Prüfung von Leiterplatten erforderlichen High-End-Ausrüstung werden die Kosten ziemlich hoch:

L Leiterbahnbreite weniger als 5 mil (0.005 Zoll)

L Leiterbahnabstand weniger als 5 mil

L Durchgangslöcher mit einem Durchmesser von weniger als 8 mil

L Leiterbahndicke kleiner oder gleich 1 Unze (entspricht 1.4 mil)

L Differenzialpaar und kontrollierte Länge oder Verdrahtungsimpedanz

High-Density-Designs, die Platzbedarf auf der Leiterplatte kombinieren, wie z. B. sehr eng beabstandete BGA- oder parallele Busse mit hoher Signalanzahl, erfordern möglicherweise eine Leitungsbreite von 2.5 mil sowie spezielle Arten von Durchgangslöchern mit Durchmessern von bis zu 6 mil, wie z B. lasergebohrte Mikrodurchgangslöcher. Umgekehrt können einige Hochleistungsdesigns sehr große Verdrahtungen oder Ebenen erfordern, die ganze Schichten verbrauchen und Unzen gießen, die dicker als der Standard sind. Bei Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen können sehr dünne Platten mit mehreren Schichten und einer begrenzten Kupfergussdicke von einer halben Unze (0.7 mil Dicke) erforderlich sein.

In anderen Fällen können Designs für die Hochgeschwindigkeitskommunikation von einem Peripheriegerät zum anderen eine Verdrahtung mit kontrollierter Impedanz und spezifischen Breiten und Abständen untereinander erfordern, um Reflexion und induktive Kopplung zu minimieren. Oder das Design erfordert möglicherweise eine bestimmte Länge, um andere relevante Signale im Bus abzugleichen. Hochspannungsanwendungen erfordern bestimmte Sicherheitsfunktionen, wie z. B. die Minimierung des Abstands zwischen zwei exponierten Differenzsignalen, um eine Lichtbogenbildung zu verhindern. Unabhängig von Merkmalen oder Funktionen sind Tracing-Definitionen wichtig, also lassen Sie uns verschiedene Anwendungen untersuchen.

Verschiedene Kabelbreiten und -stärken

PCBS enthalten typischerweise eine Vielzahl von Linienbreiten, da sie von den Signalanforderungen abhängen (siehe Abbildung 1). Die gezeigten feineren Spuren sind für allgemeine TTL-Signale (Transistor-Transistor-Logik) und stellen keine besonderen Anforderungen an Hochstrom- oder Rauschschutz.

Dies sind die gebräuchlichsten Verdrahtungstypen auf der Platine.

Dickere Kabel wurden für die Stromtragfähigkeit optimiert und können für Peripheriegeräte oder leistungsbezogene Funktionen verwendet werden, die eine höhere Leistung erfordern, wie Lüfter, Motoren und regelmäßige Leistungsübertragungen an untergeordnete Komponenten. Der obere linke Teil der Abbildung zeigt sogar ein Differenzsignal (USB High-Speed), das einen bestimmten Abstand und eine bestimmte Breite definiert, um die Impedanzanforderungen von 90 zu erfüllen. Abbildung 2 zeigt eine etwas dichtere Platine mit sechs Schichten, die eine BGA-Baugruppe (Ball Grid Array) erfordert, die eine feinere Verdrahtung erfordert.

Wie berechne ich die PCB-Linienbreite?

Lassen Sie uns den Prozess der Berechnung einer bestimmten Leiterbahnbreite für ein Leistungssignal durchgehen, das Strom von einer Leistungskomponente zu einem Peripheriegerät überträgt. In diesem Beispiel berechnen wir die minimale Linienbreite des Leistungspfades für einen Gleichstrommotor. Der Strompfad beginnt an der Sicherung, überquert die H-Brücke (die Komponente, die zur Steuerung der Stromübertragung über die Gleichstrommotorwicklungen verwendet wird) und endet am Stecker des Motors. Der durchschnittliche maximale Dauerstrom, der von einem Gleichstrommotor benötigt wird, beträgt etwa 2 Ampere.

Jetzt fungiert die Leiterplattenverdrahtung als Widerstand, und je länger und schmaler die Verdrahtung ist, desto mehr Widerstand wird hinzugefügt. Wenn die Verdrahtung nicht richtig definiert ist, kann der hohe Strom die Verdrahtung beschädigen und/oder einen erheblichen Spannungsabfall am Motor verursachen (was zu einer reduzierten Drehzahl führt). Der in Abbildung 21 gezeigte NetC2_3 ist etwa 0.8 Zoll lang und muss einen maximalen Strom von 2 Ampere tragen. Wenn wir einige allgemeine Bedingungen annehmen, wie etwa 1 Unze Kupferguss und Raumtemperatur während des normalen Betriebs, müssen wir die minimale Linienbreite und den erwarteten Druckabfall bei dieser Breite berechnen.

Wie berechnet man den Widerstand der Leiterplattenverdrahtung?

Die folgende Gleichung wird für die Spurfläche verwendet:

Fläche [Mils²] = (Strom [Ampere] / (K * (Temp_Rise [°C]) ^ b)) ^ (1 / C), die dem IPC-Kriterium der äußeren Schicht (oder oben/unten) folgt, k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Beachten Sie, dass die einzige Variable, die wir wirklich einfügen müssen, current ist.

Wenn wir diesen Bereich in der folgenden Gleichung verwenden, erhalten wir die erforderliche Breite, die uns die Linienbreite angibt, die erforderlich ist, um den Strom ohne potenzielle Probleme zu übertragen:

Breite [mils] = Fläche [mils ^ 2] / (Dicke [oz] * 1.378 [mils/oz]), wobei 1.378 sich auf die standardmäßige Gießdicke von 1 oz bezieht.

Durch Einfügen von 2 Ampere Strom in die obige Berechnung erhalten wir ein Minimum von 30 mil Verdrahtung.

Aber das sagt uns nicht, wie der Spannungsabfall sein wird. Dies ist aufwendiger, da der Widerstand des Drahtes berechnet werden muss, was nach der in Abbildung 4 gezeigten Formel erfolgen kann.

In dieser Formel ist ρ = spezifischer Widerstand von Kupfer, α = Temperaturkoeffizient von Kupfer, T = Leiterbahndicke, W = Leiterbahnbreite, L = Leiterbahnlänge, T = Temperatur. Wenn alle relevanten Werte in eine 0.8-Zoll-Länge mit einer Breite von 30 mil eingefügt werden, stellen wir fest, dass der Verdrahtungswiderstand etwa 0.03 beträgt. Und es senkt die Spannung um etwa 26 mV, was für diese Anwendung in Ordnung ist. Es ist hilfreich zu wissen, was diese Werte beeinflusst.

Abstand und Länge der Leiterplattenkabel

Für digitale Designs mit Hochgeschwindigkeitskommunikation können spezielle Abstände und angepasste Längen erforderlich sein, um Übersprechen, Kopplung und Reflexion zu minimieren. Zu diesem Zweck sind einige gängige Anwendungen USB-basierte serielle Differenzsignale und RAM-basierte parallele Differenzsignale. Normalerweise erfordert USB 2.0 differentielles Routing mit 480 Mbit/s (USB-Hochgeschwindigkeitsklasse) oder höher. Dies liegt zum Teil daran, dass Hochgeschwindigkeits-USB normalerweise mit viel niedrigeren Spannungen und Unterschieden arbeitet, wodurch der Gesamtsignalpegel näher an das Hintergrundrauschen herangebracht wird.

Beim Verlegen von Hochgeschwindigkeits-USB-Kabeln sind drei wichtige Dinge zu beachten: Drahtbreite, Leitungsabstand und Kabellänge.

All dies ist wichtig, aber am kritischsten ist es, sicherzustellen, dass die Längen der beiden Linien so gut wie möglich übereinstimmen. Als Faustregel gilt: Wenn die Kabellängen nicht mehr als 50 mil voneinander abweichen (bei High-Speed-USB), erhöht dies das Reflexionsrisiko erheblich, was zu einer schlechten Kommunikation führen kann. Die 90-Ohm-Anpassungsimpedanz ist eine allgemeine Spezifikation für die differenzielle Paarverdrahtung. Um dieses Ziel zu erreichen, sollte die Verlegung in Breite und Abstand optimiert werden.

Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für ein differentielles Paar für die Verdrahtung von Hochgeschwindigkeits-USB-Schnittstellen, das eine 12 mil breite Verdrahtung in 15 mil-Intervallen enthält.

Schnittstellen für speicherbasierte Komponenten, die parallele Schnittstellen enthalten (wie DDR3-SDRAM) werden hinsichtlich der Kabellänge eingeschränkter. Die meisten High-End-PCB-Designsoftware verfügt über Längenanpassungsfunktionen, die die Leitungslänge optimieren, um allen relevanten Signalen im Parallelbus zu entsprechen. Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für ein DDR3-Layout mit Längenanpassungsverdrahtung.

Spuren und Ebenen der Bodenfüllung

Einige Anwendungen mit rauschempfindlichen Komponenten, wie Funkchips oder Antennen, benötigen möglicherweise etwas zusätzlichen Schutz. Das Entwerfen von Kabeln und Ebenen mit eingebetteten Erdungslöchern kann erheblich dazu beitragen, die Kopplung von nahegelegenen Kabeln oder Ebenenaufnahme- und Off-Board-Signalen, die in die Kanten der Platine kriechen, zu minimieren.

Abbildung 7 zeigt ein Beispiel für ein Bluetooth-Modul, das in der Nähe des Plattenrands platziert ist, wobei seine Antenne (über siebgedruckte „ANT“-Markierungen) außerhalb einer dicken Linie mit eingebetteten Durchgangslöchern liegt, die mit der Erdformation verbunden sind. Dies hilft, die Antenne von anderen Onboard-Schaltkreisen und Flugzeugen zu isolieren.

Diese alternative Methode des Routings durch den Boden (in diesem Fall eine polygonale Ebene) kann verwendet werden, um die Platinenschaltung vor externen externen Funksignalen zu schützen. Abbildung 8 zeigt eine rauschempfindliche Leiterplatte mit einer geerdeten, durchgehenden, eingebetteten Ebene entlang der Peripherie der Leiterplatte.

Best Practices für die Leiterplattenverkabelung

Viele Faktoren bestimmen die Verdrahtungseigenschaften des PCB-Felds. Befolgen Sie daher beim Verdrahten Ihrer nächsten PCB die Best Practices, und Sie werden ein Gleichgewicht zwischen PCB-Fertigungskosten, Schaltungsdichte und Gesamtleistung finden.