What is line width?

基本から始めましょう。 What exactly is trace width? 特定のトレース幅を指定することが重要なのはなぜですか？ の目的 PCB 配線とは、あるノードから別のノードにあらゆる種類の電気信号（アナログ、デジタル、または電源）を接続することです。

ノードは、コンポーネントのピン、より大きなトレースまたは平面のブランチ、またはプロービング用の空のパッドまたはテストポイントにすることができます。 Trace widths are usually measured in mils or thousands of inches. Standard wiring widths for ordinary signals (no special requirements) may be several inches in length in the 7-12 mils range, but many factors should be considered when defining the wiring width and length.

The application typically drives the wiring width and wiring type in PCB design and, at some point, usually balances PCB manufacturing cost, board density/size, and performance. ボードに速度の最適化、ノイズや結合の抑制、高電流/電圧などの特定の設計要件がある場合、裸のPCBの製造コストやボード全体のサイズを最適化するよりも、トレースの幅とタイプの方が重要な場合があります。

Specification relating to wiring in PCB manufacturing

通常、配線に関連する次の仕様は、裸のPCBSの製造コストを増加させ始めます。

より厳しいPCB公差と、PCBSの製造、検査、またはテストに必要なハイエンド機器のために、コストは非常に高くなります。

Lトレース幅が5ミル（0.005インチ）未満

L Trace spacing less than 5 mils

L Through holes less than 8 mil in diameter

Lトレースの厚さが1オンス以下（1.4ミルに等しい）

L Differential pair and controlled length or wiring impedance

非常に細かい間隔のBGAや信号数の多いパラレルバスなど、PCBスペースの使用を組み合わせた高密度設計では、2.5 milの線幅と、最大6milの直径の特殊なタイプの貫通穴が必要になる場合があります。レーザーで穴あけされたマイクロスルーホールとして。 逆に、一部の高出力設計では、非常に大きな配線または平面が必要になる場合があり、層全体を消費し、標準よりも厚いオンスを注ぎます。 In space-constrained applications, very thin plates containing several layers and a limited copper casting thickness of half an ounce (0.7 mil thickness) may be required.

また、ある周辺機器から別の周辺機器への高速通信の設計では、反射と誘導結合を最小限に抑えるために、インピーダンスを制御し、特定の幅と間隔で配線する必要があります。 または、バス内の他の関連信号と一致させるために、設計に特定の長さが必要な場合があります。 高電圧アプリケーションには、アーク放電を防ぐためにXNUMXつの露出した差動信号間の距離を最小化するなど、特定の安全機能が必要です。 特性や機能に関係なく、トレース定義は重要なので、さまざまなアプリケーションを調べてみましょう。

Various wiring widths and thicknesses

PCBSには、信号要件に依存するため、通常、さまざまな線幅が含まれています（図1を参照）。 示されているより細かいトレースは、汎用TTL（トランジスタ-トランジスタロジック）レベル信号用であり、大電流またはノイズ保護に関する特別な要件はありません。

これらは、ボード上で最も一般的な配線タイプになります。

太い配線は、電流容量に合わせて最適化されており、ファン、モーター、低レベルのコンポーネントへの定期的な電力伝送など、より高い電力を必要とする周辺機器や電力関連の機能に使用できます。 The upper left part of the figure even shows a differential signal (USB high-speed) that defines a specific spacing and width to meet the impedance requirements of 90 ω. 図2は、XNUMX層で、より細い配線を必要とするBGA（ボールグリッドアレイ）アセンブリを必要とする、わずかに密度の高い回路基板を示しています。

How to calculate PCB line width?

Let’s step through the process of calculating a certain trace width for a power signal that transfers current from a power component to a peripheral device. この例では、DCモーターの電力経路の最小線幅を計算します。 電力経路はヒューズで始まり、Hブリッジ（DCモーター巻線間の動力伝達を管理するために使用されるコンポーネント）を通過し、モーターのコネクターで終わります。 DCモーターに必要な平均連続最大電流は約2アンペアです。

現在、PCB配線は抵抗として機能し、配線が長くて狭いほど、より多くの抵抗が追加されます。 If wiring is not defined correctly, the high current may damage wiring and/or cause a significant voltage drop to the motor (resulting in reduced speed). The NetC21_2 shown in Figure 3 is about 0.8 inches long and needs to carry a maximum current of 2 amperes. 通常の操作中に1オンスの銅を注ぐことや室温などの一般的な条件を想定する場合、最小線幅とその幅で予想される圧力降下を計算する必要があります。

PCB配線抵抗を計算する方法は？

The following equation is used for trace area:

Area [Mils ²] = (current [Amps] / (K * (Temp_Rise [°C]) ^ b)) ^ (1 / C), which follows IPC outer layer (or top/bottom) criterion, k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. 実際に挿入する必要がある変数はcurrentだけであることに注意してください。

Using this region in the following equation will give us the necessary width that tells us the line width needed to carry the current without any potential problems:

幅[ミル] =面積[ミル^ 2] /（厚さ[オンス] * 1.378 [ミル/オンス]）。ここで、1.378は標準の1オンスの注入厚さに関連しています。

上記の計算に2アンペアの電流を挿入すると、最低30ミルの配線が得られます。

しかし、それは電圧降下がどうなるかを教えてくれません。 This is more involved because it needs to calculate the resistance of the wire, which can be done according to the formula shown in Figure 4.

この式では、ρ=銅の抵抗率、α=銅の温度係数、T =トレースの厚さ、W =トレースの幅、L =トレースの長さ、T =温度です。 関連するすべての値を0.8インチの長さ30ミルの幅に挿入すると、配線抵抗は約0.03であることがわかりますか？ And it lowers the voltage by about 26mV, which is fine for this application. これらの値に何が影響するかを知ることは役に立ちます。

PCBケーブルの間隔と長さ

高速通信を使用するデジタル設計では、クロストーク、結合、および反射を最小限に抑えるために、特定の間隔と調整された長さが必要になる場合があります。 この目的のために、いくつかの一般的なアプリケーションは、USBベースのシリアル差動信号とRAMベースのパラレル差動信号です。 Typically, USB 2.0 will require differential routing at 480Mbit/s (USB high speed class) or higher. This is partly because high-speed USB typically operates at much lower voltages and differences, bringing the overall signal level closer to background noise.

There are three important things to consider when routing high-speed USB cables: wire width, lead spacing, and cable length.

これらはすべて重要ですが、XNUMXつの中で最も重要なのは、XNUMX本の線の長さが可能な限り一致するようにすることです。 As a general rule of thumb, if the lengths of the cables differ from each other by no more than 50 mils (for high-speed USB), this significantly increases the risk of reflection, which may result in poor communication. 90オームの整合インピーダンスは、差動ペア配線の一般的な仕様です。 この目標を達成するには、ルーティングの幅と間隔を最適化する必要があります。

図5は、12ミル間隔で15ミル幅の配線を含む高速USBインターフェースを配線するための差動ペアの例を示しています。

パラレルインターフェイス（DDR3-SDRAMなど）を含むメモリベースのコンポーネントのインターフェイスは、ワイヤの長さに関してより制約されます。 ほとんどのハイエンドPCB設計ソフトウェアには、パラレルバス内の関連するすべての信号に一致するようにライン長を最適化する長さ調整機能があります。 図6に、長さ調整配線を備えたDDR3レイアウトの例を示します。

Traces and planes of ground filling

ワイヤレスチップやアンテナなど、ノイズに敏感なコンポーネントを使用する一部のアプリケーションでは、少し追加の保護が必要になる場合があります。 接地穴が埋め込まれた配線とプレーンを設計すると、ボードの端に這う近くの配線またはプレーンピッキングとオフボード信号の結合を最小限に抑えることができます。

図7は、プレートの端の近くに配置されたBluetoothモジュールの例を示しています。アンテナは、地面に接続された貫通穴が埋め込まれた太い線の外側にあります（スクリーン印刷された「ANT」マーキングを介して）。 これにより、アンテナを他のオンボード回路やプレーンから分離できます。

地面（この場合は多角形の平面）を介してルーティングするこの代替方法を使用して、外部のオフボードワイヤレス信号からボード回路を保護できます。 図8は、ボードの周囲に沿って接地されたスルーホール埋め込みプレーンを備えたノイズに敏感なPCBを示しています。

PCB配線のベストプラクティス

Many factors determine the wiring characteristics of the PCB field, so be sure to follow best practices when wiring your next PCB, and you’ll find a balance between PCB fab cost, circuit density, and overall performance.