Qual é a largura da linha?

Vamos começar com o básico. O que exatamente é a largura do traço? Por que é importante especificar uma largura de traço específica? A finalidade do PCB a fiação serve para conectar qualquer tipo de sinal elétrico (analógico, digital ou de energia) de um nó a outro.

Um nó pode ser um pino de um componente, um ramo de um traço ou plano maior ou um bloco vazio ou ponto de teste para sondagem. As larguras dos traços são geralmente medidas em mils ou milhares de polegadas. As larguras de fiação padrão para sinais comuns (sem requisitos especiais) podem ter várias polegadas de comprimento na faixa de 7-12 mils, mas muitos fatores devem ser considerados ao definir a largura e o comprimento da fiação.

O aplicativo normalmente orienta a largura e o tipo de fiação no design de PCB e, em algum ponto, normalmente equilibra o custo de fabricação da PCB, densidade / tamanho da placa e desempenho. Se a placa tiver requisitos de design específicos, como otimização de velocidade, ruído ou supressão de acoplamento ou alta corrente / tensão, a largura e o tipo de traço podem ser mais importantes do que otimizar o custo de fabricação de um PCB vazio ou o tamanho geral da placa.

Especificação relativa à fiação na fabricação de PCB

Normalmente, as especificações a seguir relacionadas à fiação começam a aumentar o custo de fabricação de PCBS nus.

Devido às tolerâncias de PCB mais rígidas e ao equipamento de última geração necessário para a fabricação, inspeção ou teste de PCBS, os custos tornam-se bastante altos:

L Largura do traço menor que 5 mil (0.005 pol.)

L Traço espaçamento inferior a 5 mils

L Orifícios passantes com menos de 8 mil de diâmetro

L Espessura do traço menor ou igual a 1 onça (igual a 1.4 mils)

L Par diferencial e comprimento controlado ou impedância de fiação

Projetos de alta densidade que combinam ocupação de espaço de PCB, como BGA muito finamente espaçado ou barramentos paralelos de alta contagem de sinal, podem exigir uma largura de linha de 2.5 mil, bem como tipos especiais de orifícios com diâmetros de até 6 mil, como como micro-orifícios perfurados a laser. Por outro lado, alguns projetos de alta potência podem exigir fiação ou planos muito grandes, consumindo camadas inteiras e despejando onças que são mais grossas do que o padrão. Em aplicações com restrições de espaço, podem ser necessárias placas muito finas contendo várias camadas e uma espessura de fundição de cobre limitada de meia onça (0.7 mil de espessura).

Em outros casos, projetos para comunicação de alta velocidade de um periférico para outro podem exigir fiação com impedância controlada e larguras e espaçamentos específicos entre si para minimizar a reflexão e o acoplamento indutivo. Ou o projeto pode exigir um determinado comprimento para corresponder a outros sinais relevantes no barramento. As aplicações de alta tensão requerem certos recursos de segurança, como minimizar a distância entre dois sinais diferenciais expostos para evitar a formação de arco. Independentemente das características ou recursos, o rastreamento de definições é importante, portanto, vamos explorar vários aplicativos.

Várias larguras e espessuras de fiação

PCBS normalmente contém uma variedade de larguras de linha, pois dependem dos requisitos de sinal (consulte a Figura 1). Os traços mais precisos mostrados são para sinais de nível TTL (lógica de transistor-transistor) de uso geral e não têm requisitos especiais para alta corrente ou proteção contra ruído.

Esses serão os tipos de fiação mais comuns na placa.

A fiação mais espessa foi otimizada para capacidade de carga de corrente e pode ser usada para periféricos ou funções relacionadas à energia que requerem maior potência, como ventiladores, motores e transferências regulares de energia para componentes de nível inferior. A parte superior esquerda da figura mostra ainda um sinal diferencial (USB de alta velocidade) que define um espaçamento e largura específicos para atender aos requisitos de impedância de 90 ω. A Figura 2 mostra uma placa de circuito ligeiramente mais densa que tem seis camadas e requer um conjunto BGA (matriz de grade de esferas) que requer uma fiação mais fina.

Como calcular a largura da linha do PCB?

Vamos percorrer o processo de cálculo de uma certa largura de traço para um sinal de energia que transfere corrente de um componente de energia para um dispositivo periférico. Neste exemplo, calcularemos a largura de linha mínima do caminho de energia para um motor CC. O caminho da energia começa no fusível, cruza a ponte H (o componente usado para gerenciar a transmissão de energia pelos enrolamentos do motor CC) e termina no conector do motor. A corrente máxima contínua média exigida por um motor CC é de cerca de 2 amperes.

Agora, a fiação do PCB atua como um resistor e, quanto mais longa e estreita a fiação, mais resistência é adicionada. Se a fiação não for definida corretamente, a alta corrente pode danificar a fiação e / ou causar uma queda significativa de tensão no motor (resultando em velocidade reduzida). O NetC21_2 mostrado na Figura 3 tem cerca de 0.8 polegadas de comprimento e precisa carregar uma corrente máxima de 2 amperes. Se assumirmos algumas condições gerais, como 1 onça de cobre derramado e temperatura ambiente durante a operação normal, precisamos calcular a largura mínima da linha e a queda de pressão esperada nessa largura.

Como calcular a resistência da fiação do PCB?

A seguinte equação é usada para a área de rastreamento:

Área [Mils ²] = (corrente [Amps] / (K * (Temp_Rise [° C]) ^ b)) ^ (1 / C), que segue o critério de camada externa (ou superior / inferior) do IPC, k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Observe que a única variável que realmente precisamos inserir é a atual.

Usar esta região na seguinte equação nos dará a largura necessária que nos diz a largura de linha necessária para transportar a corrente sem quaisquer problemas potenciais:

Largura [Mils] = área [Mils ^ 2] / (espessura [oz] * 1.378 [mils / oz]), onde 1.378 está relacionado à espessura de vazamento padrão de 1 oz.

Ao inserir 2 amperes de corrente no cálculo acima, obtemos um mínimo de 30 mils de fiação.

Mas isso não nos diz qual será a queda de tensão. Isso é mais complicado porque precisa calcular a resistência do fio, o que pode ser feito de acordo com a fórmula mostrada na Figura 4.

Nesta fórmula, ρ = resistividade do cobre, α = coeficiente de temperatura do cobre, T = espessura do traço, W = largura do traço, L = comprimento do traço, T = temperatura. Se todos os valores relevantes forem inseridos em um comprimento de 0.8 “com 30mils de largura, descobrimos que a resistência da fiação é de cerca de 0.03? E reduz a tensão em cerca de 26mV, o que é bom para esta aplicação. É útil saber o que afeta esses valores.

Espaçamento e comprimento do cabo PCB

Para projetos digitais com comunicações de alta velocidade, espaçamento específico e comprimentos ajustados podem ser necessários para minimizar diafonia, acoplamento e reflexão. Para este propósito, algumas aplicações comuns são sinais diferenciais seriais baseados em USB e sinais diferenciais paralelos baseados em RAM. Normalmente, o USB 2.0 exigirá roteamento diferencial a 480Mbit / s (classe de alta velocidade USB) ou superior. Em parte, isso ocorre porque o USB de alta velocidade normalmente opera com tensões e diferenças muito mais baixas, aproximando o nível geral do sinal do ruído de fundo.

Há três coisas importantes a serem consideradas ao rotear cabos USB de alta velocidade: largura do fio, espaçamento entre cabos e comprimento do cabo.

Todos esses são importantes, mas o mais crítico dos três é garantir que os comprimentos das duas linhas correspondam o máximo possível. Como regra geral, se os comprimentos dos cabos diferirem entre si em não mais do que 50 mils (para USB de alta velocidade), isso aumenta significativamente o risco de reflexão, o que pode resultar em comunicação deficiente. A impedância correspondente de 90 ohms é uma especificação geral para fiação de par diferencial. Para atingir esse objetivo, o roteamento deve ser otimizado em largura e espaçamento.

A Figura 5 mostra um exemplo de um par diferencial para fiação de interfaces USB de alta velocidade que contém fiação de 12 mil em intervalos de 15 mil.

As interfaces para componentes baseados em memória que contêm interfaces paralelas (como DDR3-SDRAM) serão mais restritas em termos de comprimento de fio. A maioria dos softwares de design de PCBs de última geração terá recursos de ajuste de comprimento que otimizam o comprimento da linha para corresponder a todos os sinais relevantes no barramento paralelo. A Figura 6 mostra um exemplo de layout DDR3 com cabeamento de ajuste de comprimento.

Traços e planos de enchimento do solo

Alguns aplicativos com componentes sensíveis a ruído, como chips sem fio ou antenas, podem exigir um pouco de proteção extra. Projetar fiação e planos com orifícios de aterramento embutidos pode ajudar muito a minimizar o acoplamento de fiação próxima ou seleção de planos e sinais externos que rastejam nas bordas da placa.

A Figura 7 mostra um exemplo de um módulo Bluetooth colocado próximo à borda da placa, com sua antena (via marcações “ANT” impressas na tela) fora de uma linha grossa contendo orifícios de passagem embutidos conectados à formação do solo. Isso ajuda a isolar a antena de outros circuitos e aviões a bordo.

Este método alternativo de roteamento através do solo (neste caso, um plano poligonal) pode ser usado para proteger o circuito da placa de sinais sem fio externos. A Figura 8 mostra uma PCB sensível a ruído com um plano de orifício embutido aterrado ao longo da periferia da placa.

Melhores práticas para fiação PCB

Muitos fatores determinam as características de fiação do campo de PCB, portanto, certifique-se de seguir as práticas recomendadas ao fazer a fiação de sua próxima PCB e você encontrará um equilíbrio entre o custo de fabricação de PCB, densidade do circuito e desempenho geral.