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

Typically, the following specifications related to wiring begin to increase the cost of manufacturing bare PCB.

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 typically contain a variety of line widths, as they depend on signal requirements. 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). 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.

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. As a general rule of thumb, if the lengths of the cables differ from each other by no more than 50 mils, this significantly increases the risk of reflection, which may result in poor communication. 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.

Interfaces for memory-based components that contain parallel interfaces will be more constrained in terms of wire length. 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.

Figure 7 shows an example of a Bluetooth module placed near the edge of the plate, with its antenna outside a thick line containing embedded through-holes connected to the ground formation. Dies hilft, die Antenne von anderen Onboard-Schaltkreisen und Flugzeugen zu isolieren.

This alternative method of routing through the ground can be used to protect the board circuit from external off-board wireless signals. 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.