Apa itu lebar garis?

Mari kita mulai dengan dasar-dasarnya. Apa sebenarnya lebar jejak itu? Mengapa penting untuk menentukan lebar jejak tertentu? Tujuan PCB pengkabelan adalah untuk menghubungkan segala jenis sinyal listrik (analog, digital atau daya) dari satu simpul ke simpul lainnya.

Sebuah node dapat berupa pin dari komponen, cabang dari trace atau plane yang lebih besar, atau pad kosong atau test point untuk probing. Lebar jejak biasanya diukur dalam mil atau ribuan inci. Lebar kabel standar untuk sinyal biasa (tidak ada persyaratan khusus) mungkin beberapa inci panjangnya dalam kisaran 7-12 mil, tetapi banyak faktor yang harus dipertimbangkan saat menentukan lebar dan panjang kabel.

Aplikasi biasanya mendorong lebar kabel dan jenis kabel dalam desain PCB dan, di beberapa titik, biasanya menyeimbangkan biaya pembuatan PCB, kepadatan/ukuran papan, dan kinerja. Jika papan memiliki persyaratan desain khusus, seperti pengoptimalan kecepatan, kebisingan atau penekanan kopling, atau arus/tegangan tinggi, lebar dan jenis jejak mungkin lebih penting daripada mengoptimalkan biaya pembuatan PCB kosong atau ukuran papan keseluruhan.

Spesifikasi yang berkaitan dengan pengkabelan dalam pembuatan PCB

Biasanya, spesifikasi berikut yang terkait dengan kabel mulai meningkatkan biaya pembuatan PCB kosong.

Karena toleransi PCB yang lebih ketat dan peralatan canggih yang diperlukan untuk pembuatan, inspeksi, atau pengujian PCB, biaya menjadi cukup tinggi:

L Lebar jejak kurang dari 5 mil (0.005 in.)

L Jarak jejak kurang dari 5 mil

L Melalui lubang berdiameter kurang dari 8 mil

L Ketebalan jejak kurang dari atau sama dengan 1 ons (sama dengan 1.4 mil)

L Pasangan diferensial dan panjang terkontrol atau impedansi kabel

Desain kepadatan tinggi yang menggabungkan pengambilan ruang PCB, seperti BGA dengan jarak sangat halus atau bus paralel dengan jumlah sinyal tinggi, mungkin memerlukan lebar saluran 2.5 mil, serta jenis lubang tembus khusus dengan diameter hingga 6 mil, seperti sebagai lubang mikro yang dibor dengan laser. Sebaliknya, beberapa desain berdaya tinggi mungkin memerlukan kabel atau bidang yang sangat besar, menghabiskan seluruh lapisan dan menuangkan ons yang lebih tebal dari standar. Dalam aplikasi ruang terbatas, pelat sangat tipis yang mengandung beberapa lapisan dan ketebalan pengecoran tembaga terbatas setengah ons (ketebalan 0.7 mil) mungkin diperlukan.

Dalam kasus lain, desain untuk komunikasi berkecepatan tinggi dari satu periferal ke periferal lainnya mungkin memerlukan pengkabelan dengan impedansi terkontrol dan lebar serta jarak tertentu antara satu sama lain untuk meminimalkan refleksi dan kopling induktif. Atau desain mungkin memerlukan panjang tertentu untuk mencocokkan sinyal lain yang relevan di bus. Aplikasi tegangan tinggi memerlukan fitur keselamatan tertentu, seperti meminimalkan jarak antara dua sinyal diferensial yang terbuka untuk mencegah lengkung. Terlepas dari karakteristik atau fiturnya, menelusuri definisi itu penting, jadi mari kita jelajahi berbagai aplikasi.

Berbagai lebar dan ketebalan kabel

PCBS biasanya berisi berbagai lebar garis, karena bergantung pada persyaratan sinyal (lihat Gambar 1). Jejak halus yang ditampilkan adalah untuk sinyal level TTL (transistor-transistor logic) tujuan umum dan tidak memiliki persyaratan khusus untuk perlindungan arus atau kebisingan tinggi.

Ini akan menjadi jenis kabel yang paling umum di papan.

Pengkabelan yang lebih tebal telah dioptimalkan untuk daya dukung arus dan dapat digunakan untuk periferal atau fungsi terkait daya yang memerlukan daya lebih tinggi, seperti kipas, motor, dan transfer daya reguler ke komponen tingkat yang lebih rendah. Bagian kiri atas gambar bahkan menunjukkan sinyal diferensial (USB kecepatan tinggi) yang menentukan jarak dan lebar tertentu untuk memenuhi persyaratan impedansi 90 . Gambar 2 menunjukkan papan sirkuit yang sedikit lebih padat yang memiliki enam lapisan dan membutuhkan rakitan BGA (ball grid array) yang membutuhkan kabel yang lebih halus.

Bagaimana cara menghitung lebar garis PCB?

Mari melangkah melalui proses penghitungan lebar jejak tertentu untuk sinyal daya yang mentransfer arus dari komponen daya ke perangkat periferal. Dalam contoh ini, kita akan menghitung lebar saluran minimum dari jalur daya untuk motor DC. Jalur daya dimulai dari sekering, melintasi jembatan-H (komponen yang digunakan untuk mengatur transmisi daya melintasi belitan motor DC), dan berakhir di konektor motor. Arus maksimum kontinu rata-rata yang dibutuhkan oleh motor DC adalah sekitar 2 ampere.

Sekarang, kabel PCB bertindak sebagai resistor, dan semakin panjang dan sempit kabelnya, semakin banyak resistansi yang ditambahkan. Jika perkabelan tidak ditentukan dengan benar, arus tinggi dapat merusak perkabelan dan/atau menyebabkan penurunan tegangan yang signifikan ke motor (mengakibatkan penurunan kecepatan). NetC21_2 yang ditunjukkan pada Gambar 3 panjangnya sekitar 0.8 inci dan perlu membawa arus maksimum 2 ampere. Jika kita mengasumsikan beberapa kondisi umum, seperti 1 ons penuangan tembaga dan suhu kamar selama operasi normal, kita perlu menghitung lebar saluran minimum dan penurunan tekanan yang diharapkan pada lebar itu.

Bagaimana cara menghitung resistansi kabel PCB?

Persamaan berikut digunakan untuk luas jejak:

Area [Mils ²] = (saat ini [Amps] / (K * (Temp_Rise [°C]) ^ b)) ^ (1 / C), yang mengikuti kriteria lapisan luar (atau atas/bawah) IPC, k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Perhatikan bahwa satu-satunya variabel yang benar-benar perlu kita masukkan adalah variabel saat ini.

Menggunakan wilayah ini dalam persamaan berikut akan memberi kita lebar yang diperlukan yang memberi tahu kita lebar garis yang dibutuhkan untuk membawa arus tanpa masalah potensial:

Lebar [Mils] = luas [Mils ^ 2] / (ketebalan [oz] * 1.378 [mil/oz]), di mana 1.378 terkait dengan standar ketebalan tuang 1 oz.

Dengan memasukkan 2 ampere arus ke dalam perhitungan di atas, kita mendapatkan minimal 30 mil perkabelan.

Tapi itu tidak memberi tahu kita berapa penurunan tegangan yang akan terjadi. Ini lebih terlibat karena perlu menghitung resistansi kawat, yang dapat dilakukan sesuai dengan rumus yang ditunjukkan pada Gambar 4.

Dalam rumus ini, = resistivitas tembaga, = koefisien suhu tembaga, T = ketebalan jejak, W = lebar jejak, L = panjang jejak, T = suhu. Jika semua nilai yang relevan dimasukkan ke dalam panjang 0.8 “dengan lebar 30 mil, kami menemukan bahwa resistansi kabel sekitar 0.03? Dan itu menurunkan tegangan sekitar 26mV, yang bagus untuk aplikasi ini. Sangat membantu untuk mengetahui apa yang memengaruhi nilai-nilai ini.

Jarak dan panjang kabel PCB

Untuk desain digital dengan komunikasi berkecepatan tinggi, jarak tertentu dan panjang yang disesuaikan mungkin diperlukan untuk meminimalkan crosstalk, coupling, dan refleksi. Untuk tujuan ini, beberapa aplikasi umum adalah sinyal diferensial serial berbasis USB dan sinyal diferensial paralel berbasis RAM. Biasanya, USB 2.0 akan memerlukan perutean diferensial pada 480Mbit/s (kelas kecepatan tinggi USB) atau lebih tinggi. Ini sebagian karena USB berkecepatan tinggi biasanya beroperasi pada voltase dan perbedaan yang jauh lebih rendah, membawa tingkat sinyal keseluruhan lebih dekat ke kebisingan latar belakang.

Ada tiga hal penting yang perlu dipertimbangkan saat merutekan kabel USB kecepatan tinggi: lebar kabel, jarak antar kabel, dan panjang kabel.

Semua ini penting, tetapi yang paling kritis dari ketiganya adalah memastikan panjang kedua garis itu secocok mungkin. Sebagai aturan umum, jika panjang kabel berbeda satu sama lain tidak lebih dari 50 mil (untuk USB berkecepatan tinggi), ini secara signifikan meningkatkan risiko pantulan, yang dapat mengakibatkan komunikasi yang buruk. Impedansi pencocokan 90 ohm adalah spesifikasi umum untuk pengkabelan pasangan diferensial. Untuk mencapai tujuan ini, perutean harus dioptimalkan dalam lebar dan jarak.

Gambar 5 menunjukkan contoh pasangan diferensial untuk pengkabelan antarmuka USB kecepatan tinggi yang berisi pengkabelan lebar 12 mil dalam interval 15 mil.

Antarmuka untuk komponen berbasis memori yang berisi antarmuka paralel (seperti DDR3-SDRAM) akan lebih dibatasi dalam hal panjang kabel. Sebagian besar perangkat lunak desain PCB kelas atas akan memiliki kemampuan penyesuaian panjang yang mengoptimalkan panjang saluran untuk mencocokkan semua sinyal yang relevan di bus paralel. Gambar 6 menunjukkan contoh tata letak DDR3 dengan kabel penyesuaian panjang.

Jejak dan bidang pengisian tanah

Beberapa aplikasi dengan komponen yang peka terhadap kebisingan, seperti chip atau antena nirkabel, mungkin memerlukan sedikit perlindungan ekstra. Merancang perkabelan dan bidang dengan lubang arde tertanam dapat sangat membantu meminimalkan sambungan kabel terdekat atau pengambilan pesawat dan sinyal off-board yang merangkak ke tepi papan.

Gambar 7 menunjukkan contoh modul Bluetooth yang ditempatkan di dekat tepi pelat, dengan antenanya (melalui tanda “ANT” yang dicetak di layar) di luar garis tebal yang berisi lubang tembus yang terhubung ke formasi tanah. Ini membantu mengisolasi antena dari sirkuit dan pesawat onboard lainnya.

Metode alternatif perutean melalui tanah ini (dalam hal ini bidang poligonal) dapat digunakan untuk melindungi sirkuit papan dari sinyal nirkabel off-board eksternal. Gambar 8 menunjukkan PCB yang peka terhadap kebisingan dengan bidang tertanam melalui lubang yang diarde di sepanjang pinggiran papan.

Praktik terbaik untuk pemasangan kabel PCB

Banyak faktor yang menentukan karakteristik pengkabelan bidang PCB, jadi pastikan untuk mengikuti praktik terbaik saat memasang kabel PCB berikutnya, dan Anda akan menemukan keseimbangan antara biaya fab PCB, kepadatan sirkuit, dan kinerja keseluruhan.