Quelle est la largeur de ligne ?

Commençons par les bases. Quelle est exactement la largeur de trace? Pourquoi est-il important de spécifier une largeur de trace spécifique ? À notre humble avis, PCB le câblage consiste à connecter tout type de signal électrique (analogique, numérique ou de puissance) d’un nœud à un autre.

Un nœud peut être une broche d’un composant, une branche d’une trace ou d’un plan plus grand, ou une pastille vide ou un point de test pour le sondage. Les largeurs de traces sont généralement mesurées en mils ou en milliers de pouces. Les largeurs de câblage standard pour les signaux ordinaires (aucune exigence particulière) peuvent avoir une longueur de plusieurs pouces dans la plage de 7 à 12 mils, mais de nombreux facteurs doivent être pris en compte lors de la définition de la largeur et de la longueur du câblage.

L’application détermine généralement la largeur et le type de câblage dans la conception des circuits imprimés et, à un moment donné, équilibre généralement le coût de fabrication des circuits imprimés, la densité/taille de la carte et les performances. Si la carte a des exigences de conception spécifiques, telles que l’optimisation de la vitesse, la suppression du bruit ou du couplage, ou un courant/tension élevé, la largeur et le type de trace peuvent être plus importants que l’optimisation du coût de fabrication d’un PCB nu ou la taille globale de la carte.

Spécification relative au câblage dans la fabrication de PCB

En règle générale, les spécifications suivantes relatives au câblage commencent à augmenter le coût de fabrication des PCB nus.

En raison des tolérances plus strictes des PCB et de l’équipement haut de gamme requis pour la fabrication, l’inspection ou les tests des PCB, les coûts deviennent assez élevés :

L Largeur de trace inférieure à 5 mil (0.005 in.)

L Espacement des traces inférieur à 5 mils

L Trous traversants de moins de 8 mil de diamètre

L Épaisseur de trace inférieure ou égale à 1 once (égale à 1.4 mils)

L Paire différentielle et longueur contrôlée ou impédance de câblage

Les conceptions haute densité qui combinent l’encombrement des circuits imprimés, tels que les bus parallèles BGA très finement espacés ou les bus parallèles à nombre de signaux élevé, peuvent nécessiter une largeur de ligne de 2.5 mil, ainsi que des types spéciaux de trous traversants d’un diamètre allant jusqu’à 6 mil, tels que comme des micro-trous percés au laser. À l’inverse, certaines conceptions haute puissance peuvent nécessiter un câblage ou des plans très volumineux, consommant des couches entières et versant des onces plus épaisses que la norme. Dans les applications à espace restreint, des plaques très minces contenant plusieurs couches et une épaisseur de moulage de cuivre limitée d’une demi-once (0.7 mil d’épaisseur) peuvent être nécessaires.

Dans d’autres cas, les conceptions pour la communication à grande vitesse d’un périphérique à un autre peuvent nécessiter un câblage avec une impédance contrôlée et des largeurs et espacements spécifiques entre eux pour minimiser la réflexion et le couplage inductif. Ou la conception peut nécessiter une certaine longueur pour correspondre à d’autres signaux pertinents dans le bus. Les applications haute tension nécessitent certaines caractéristiques de sécurité, telles que la minimisation de la distance entre deux signaux différentiels exposés pour éviter la formation d’arcs. Quelles que soient les caractéristiques ou les fonctionnalités, le traçage des définitions est important, alors explorons diverses applications.

Différentes largeurs et épaisseurs de câblage

Les PCBS contiennent généralement une variété de largeurs de ligne, car elles dépendent des exigences de signal (voir Figure 1). Les tracés les plus fins indiqués sont destinés aux signaux de niveau TTL (logique transistor-transistor) à usage général et n’ont pas d’exigences particulières en matière de protection contre les courants élevés ou le bruit.

Ce seront les types de câblage les plus courants sur la carte.

Un câblage plus épais a été optimisé pour la capacité de transport de courant et peut être utilisé pour des périphériques ou des fonctions liées à l’alimentation qui nécessitent une puissance plus élevée, telles que des ventilateurs, des moteurs et des transferts de puissance réguliers vers des composants de niveau inférieur. La partie supérieure gauche de la figure montre même un signal différentiel (USB haute vitesse) qui définit un espacement et une largeur spécifiques pour répondre aux exigences d’impédance de 90 ω. La figure 2 montre une carte de circuit imprimé légèrement plus dense qui a six couches et nécessite un assemblage BGA (ball grid array) qui nécessite un câblage plus fin.

Comment calculer la largeur de ligne PCB?

Passons en revue le processus de calcul d’une certaine largeur de trace pour un signal d’alimentation qui transfère le courant d’un composant d’alimentation à un périphérique. Dans cet exemple, nous allons calculer la largeur de ligne minimale du chemin d’alimentation pour un moteur à courant continu. Le chemin d’alimentation commence au niveau du fusible, traverse le pont en H (le composant utilisé pour gérer la transmission de puissance à travers les enroulements du moteur à courant continu) et se termine au connecteur du moteur. Le courant maximal continu moyen requis par un moteur à courant continu est d’environ 2 ampères.

Désormais, le câblage PCB agit comme une résistance, et plus le câblage est long et étroit, plus la résistance est ajoutée. Si le câblage n’est pas défini correctement, le courant élevé peut endommager le câblage et/ou provoquer une chute de tension importante au moteur (entraînant une réduction de la vitesse). Le NetC21_2 illustré à la figure 3 mesure environ 0.8 pouces de long et doit transporter un courant maximal de 2 ampères. Si nous supposons certaines conditions générales, telles que 1 once de cuivre coulé et la température ambiante pendant le fonctionnement normal, nous devons calculer la largeur de ligne minimale et la chute de pression attendue à cette largeur.

Comment calculer la résistance du câblage PCB?

L’équation suivante est utilisée pour la zone de trace :

Aire [Mils ²] = (courant [Amps] / (K * (Temp_Rise [°C]) ^ b)) ^ (1 / C), qui suit le critère de la couche externe IPC (ou haut/bas), k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Notez que la seule variable que nous devons vraiment insérer est current.

L’utilisation de cette région dans l’équation suivante nous donnera la largeur nécessaire qui nous indique la largeur de ligne nécessaire pour transporter le courant sans aucun problème potentiel :

Largeur [Mils] = surface [Mils ^ 2] / (épaisseur [oz] * 1.378 [mils/oz]), où 1.378 correspond à l’épaisseur de coulée standard de 1 oz.

En insérant 2 ampères de courant dans le calcul ci-dessus, nous obtenons un minimum de 30 mils de câblage.

Mais cela ne nous dit pas quelle sera la chute de tension. Ceci est plus complexe car il faut calculer la résistance du fil, ce qui peut être fait selon la formule illustrée à la figure 4.

Dans cette formule, = résistivité du cuivre, = coefficient de température du cuivre, T = épaisseur de trace, W = largeur de trace, L = longueur de trace, T = température. Si toutes les valeurs pertinentes sont insérées dans une longueur de 0.8 “de 30 mils de largeur, nous constatons que la résistance de câblage est d’environ 0.03 ? Et cela abaisse la tension d’environ 26 mV, ce qui est bien pour cette application. Il est utile de savoir ce qui affecte ces valeurs.

Espacement et longueur des câbles PCB

Pour les conceptions numériques avec des communications à haute vitesse, un espacement spécifique et des longueurs ajustées peuvent être nécessaires pour minimiser la diaphonie, le couplage et la réflexion. À cette fin, certaines applications courantes sont les signaux différentiels série basés sur USB et les signaux différentiels parallèles basés sur RAM. En règle générale, l’USB 2.0 nécessite un routage différentiel à 480 Mbit/s (classe USB haute vitesse) ou plus. Cela s’explique en partie par le fait que l’USB haute vitesse fonctionne généralement à des tensions et des différences beaucoup plus faibles, rapprochant ainsi le niveau global du signal du bruit de fond.

Il y a trois choses importantes à considérer lors du routage des câbles USB haute vitesse : la largeur du fil, l’espacement des fils et la longueur du câble.

Tous ces éléments sont importants, mais le plus important des trois est de s’assurer que les longueurs des deux lignes correspondent autant que possible. En règle générale, si les longueurs des câbles ne diffèrent pas de plus de 50 mils (pour l’USB haut débit), cela augmente considérablement le risque de réflexion, ce qui peut entraîner une mauvaise communication. L’impédance d’adaptation de 90 ohms est une spécification générale pour le câblage de paires différentielles. Pour atteindre cet objectif, le routage doit être optimisé en largeur et en espacement.

La figure 5 montre un exemple de paire différentielle pour le câblage d’interfaces USB haute vitesse contenant un câblage de 12 mil de large à des intervalles de 15 mil.

Les interfaces pour les composants basés sur la mémoire qui contiennent des interfaces parallèles (telles que la DDR3-SDRAM) seront plus limitées en termes de longueur de fil. La plupart des logiciels de conception de circuits imprimés haut de gamme auront des capacités de réglage de la longueur qui optimisent la longueur de la ligne pour correspondre à tous les signaux pertinents dans le bus parallèle. La figure 6 montre un exemple de configuration DDR3 avec câblage de réglage de la longueur.

Traces et plans de remblai

Certaines applications avec des composants sensibles au bruit, telles que des puces sans fil ou des antennes, peuvent nécessiter une petite protection supplémentaire. Concevoir le câblage et les avions avec des trous de mise à la terre intégrés peut grandement aider à minimiser le couplage du câblage à proximité ou de la sélection d’avions et des signaux externes qui rampent dans les bords de la carte.

La figure 7 montre un exemple de module Bluetooth placé près du bord de la plaque, avec son antenne (via des marquages ​​« ANT » sérigraphiés) à l’extérieur d’une ligne épaisse contenant des trous traversants intégrés connectés à la formation au sol. Cela permet d’isoler l’antenne des autres circuits et avions embarqués.

Cette méthode alternative de routage à travers le sol (dans ce cas un plan polygonal) peut être utilisée pour protéger le circuit de la carte des signaux sans fil externes externes. La figure 8 montre un PCB sensible au bruit avec un plan intégré de trous traversants mis à la terre le long de la périphérie de la carte.

Meilleures pratiques pour le câblage PCB

De nombreux facteurs déterminent les caractéristiques de câblage du champ PCB, alors assurez-vous de suivre les meilleures pratiques lors du câblage de votre prochain PCB, et vous trouverez un équilibre entre le coût de fabrication du PCB, la densité du circuit et les performances globales.