ความกว้างของเส้นคืออะไร?

เริ่มจากพื้นฐานกันก่อน ความกว้างของรอยคืออะไร? เหตุใดการระบุความกว้างของการติดตามจึงสำคัญ วัตถุประสงค์ของการ PCB การเดินสายคือการเชื่อมต่อสัญญาณไฟฟ้าชนิดใดก็ได้ (แอนะล็อก ดิจิตอล หรือไฟ) จากโหนดหนึ่งไปยังอีกโหนดหนึ่ง

โหนดสามารถเป็นหมุดของส่วนประกอบ กิ่งก้านของรอยหรือระนาบที่ใหญ่กว่า หรือแผ่นเปล่าหรือจุดทดสอบสำหรับการตรวจสอบ ความกว้างของรอยต่อมักจะวัดเป็นหน่วยมิลหรือหลายพันนิ้ว ความกว้างของสายไฟมาตรฐานสำหรับสัญญาณธรรมดา (ไม่มีข้อกำหนดพิเศษ) อาจมีความยาวหลายนิ้วในช่วง 7-12 mils แต่ควรพิจารณาปัจจัยหลายประการเมื่อกำหนดความกว้างและความยาวของสายไฟ

โดยทั่วไป แอปพลิเคชันจะขับเคลื่อนความกว้างของสายไฟและประเภทการเดินสายในการออกแบบ PCB และในบางจุด มักจะทำให้ต้นทุนการผลิต PCB สมดุล ความหนาแน่น/ขนาดของบอร์ด และประสิทธิภาพ หากบอร์ดมีข้อกำหนดในการออกแบบเฉพาะ เช่น การปรับความเร็วให้เหมาะสม การลดเสียงรบกวนหรือการต่อพ่วง หรือกระแสไฟ/แรงดันไฟสูง ความกว้างและประเภทของร่องรอยอาจมีความสำคัญมากกว่าการปรับต้นทุนการผลิตของ PCB เปล่าหรือขนาดบอร์ดโดยรวมให้เหมาะสม

ข้อกำหนดเกี่ยวกับการเดินสายในการผลิต PCB

โดยทั่วไป ข้อมูลจำเพาะที่เกี่ยวข้องกับการเดินสายต่อไปนี้จะเริ่มเพิ่มต้นทุนการผลิต PCBS เปล่า

เนื่องจากความคลาดเคลื่อนของ PCB ที่เข้มงวดขึ้นและอุปกรณ์ระดับไฮเอนด์ที่จำเป็นสำหรับการผลิต การตรวจสอบ หรือการทดสอบ PCBS ต้นทุนจึงค่อนข้างสูง:

L Trace width น้อยกว่า 5 mil (0.005 in.)

L Trace ระยะห่างน้อยกว่า 5 mils

L ผ่านรูที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 8 mil

L ติดตามความหนาน้อยกว่าหรือเท่ากับ 1 ออนซ์ (เท่ากับ 1.4 mils)

L คู่ดิฟเฟอเรนเชียลและควบคุมความยาวหรืออิมพีแดนซ์สายไฟ

การออกแบบที่มีความหนาแน่นสูงซึ่งรวมเอาการใช้พื้นที่ PCB เข้าไว้ด้วยกัน เช่น BGA ที่เว้นระยะห่างอย่างประณีตมากหรือบัสขนานที่มีสัญญาณสูง อาจต้องใช้ความกว้างของเส้น 2.5 มม. รวมถึงรูเจาะแบบพิเศษที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 6 มม. เช่น เช่น เลเซอร์เจาะรูไมโครทรู ในทางกลับกัน การออกแบบกำลังสูงบางแบบอาจต้องใช้สายไฟหรือระนาบขนาดใหญ่มาก ใช้ทั้งชั้นและเทออนซ์ที่หนากว่ามาตรฐาน ในการใช้งานที่มีพื้นที่จำกัด อาจต้องใช้แผ่นบางมากที่มีหลายชั้นและความหนาของการหล่อทองแดงที่จำกัดเพียงครึ่งออนซ์ (ความหนา 0.7 มม.)

ในกรณีอื่นๆ การออกแบบสำหรับการสื่อสารความเร็วสูงจากอุปกรณ์ต่อพ่วงเครื่องหนึ่งไปยังอีกเครื่องหนึ่งอาจต้องใช้การเดินสายที่มีอิมพีแดนซ์ควบคุมและความกว้างและระยะห่างเฉพาะระหว่างกันเพื่อลดการสะท้อนและคัปปลิ้งแบบเหนี่ยวนำให้น้อยที่สุด หรือการออกแบบอาจต้องใช้ความยาวที่แน่นอนเพื่อให้ตรงกับสัญญาณอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องในรถบัส การใช้งานไฟฟ้าแรงสูงต้องการคุณลักษณะด้านความปลอดภัยบางอย่าง เช่น การลดระยะห่างระหว่างสัญญาณความแตกต่างที่เปิดเผยสองตัวเพื่อป้องกันการอาร์ค โดยไม่คำนึงถึงลักษณะหรือคุณลักษณะ คำจำกัดความการติดตามเป็นสิ่งสำคัญ ดังนั้น เรามาสำรวจแอปพลิเคชันต่างๆ กัน

ความกว้างและความหนาของสายไฟต่างๆ

โดยทั่วไปแล้ว PCBS จะมีความกว้างของเส้นที่หลากหลาย เนื่องจากขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของสัญญาณ (ดูรูปที่ 1) ร่องรอยที่ละเอียดกว่าที่แสดงไว้ใช้สำหรับสัญญาณระดับ TTL (ทรานซิสเตอร์-ทรานซิสเตอร์ลอจิก) วัตถุประสงค์ทั่วไป และไม่มีข้อกำหนดพิเศษสำหรับการป้องกันกระแสไฟหรือสัญญาณรบกวนสูง

สิ่งเหล่านี้จะเป็นประเภทการเดินสายที่พบบ่อยที่สุดบนบอร์ด

การเดินสายที่หนาขึ้นได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับความจุกระแสไฟและสามารถใช้กับอุปกรณ์ต่อพ่วงหรือฟังก์ชั่นที่เกี่ยวข้องกับพลังงานที่ต้องการพลังงานที่สูงขึ้น เช่น พัดลม มอเตอร์ และการถ่ายเทกำลังปกติไปยังส่วนประกอบระดับล่าง ส่วนด้านซ้ายบนของรูปยังแสดงสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล (USB ความเร็วสูง) ที่กำหนดระยะห่างและความกว้างเฉพาะเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดอิมพีแดนซ์ 90 ω รูปที่ 2 แสดงแผงวงจรที่มีความหนาแน่นเล็กน้อยซึ่งมีหกชั้นและต้องใช้ชุดประกอบ BGA (ball grid array) ที่ต้องใช้สายไฟที่ละเอียดกว่า

วิธีการคำนวณความกว้างของเส้น PCB?

มาดูขั้นตอนการคำนวณความกว้างของร่องรอยสำหรับสัญญาณกำลังไฟฟ้าที่ถ่ายโอนกระแสจากส่วนประกอบพลังงานไปยังอุปกรณ์ต่อพ่วง ในตัวอย่างนี้ เราจะคำนวณความกว้างของเส้นขั้นต่ำของเส้นทางกำลังสำหรับมอเตอร์กระแสตรง เส้นทางกำลังเริ่มต้นที่ฟิวส์ ข้ามสะพาน H (ส่วนประกอบที่ใช้จัดการระบบส่งกำลังผ่านขดลวดของมอเตอร์กระแสตรง) และสิ้นสุดที่ขั้วต่อของมอเตอร์ กระแสไฟสูงสุดต่อเนื่องเฉลี่ยที่มอเตอร์ DC ต้องการคือประมาณ 2 แอมแปร์

ตอนนี้การเดินสาย PCB ทำหน้าที่เป็นตัวต้านทาน และยิ่งสายไฟยาวและแคบลงเท่าใด ความต้านทานก็จะยิ่งเพิ่มขึ้น หากกำหนดสายไฟไม่ถูกต้อง กระแสไฟสูงอาจทำให้สายไฟเสียหายและ/หรือทำให้แรงดันไฟฟ้าตกที่มอเตอร์อย่างมีนัยสำคัญ (ส่งผลให้ความเร็วลดลง) NetC21_2 ที่แสดงในรูปที่ 3 มีความยาวประมาณ 0.8 นิ้ว และต้องมีกระแสไฟสูงสุด 2 แอมแปร์ หากเราใช้เงื่อนไขทั่วไปบางอย่าง เช่น การเททองแดง 1 ออนซ์และอุณหภูมิห้องระหว่างการทำงานปกติ เราจำเป็นต้องคำนวณความกว้างของเส้นขั้นต่ำและแรงดันที่คาดหวังที่ความกว้างนั้น

จะคำนวณความต้านทานการเดินสาย PCB ได้อย่างไร?

สมการต่อไปนี้ใช้สำหรับพื้นที่ติดตาม:

พื้นที่ [ไมล์²] = (กระแส [แอมป์] / (K * (Temp_Rise [°C]) ^ b)) ^ (1 / C) ซึ่งเป็นไปตามเกณฑ์ชั้นนอกของ IPC (หรือบน/ล่าง) k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725 โปรดทราบว่าตัวแปรเดียวที่เราต้องแทรกคือตัวแปรปัจจุบัน

การใช้ขอบเขตนี้ในสมการต่อไปนี้จะให้ความกว้างที่จำเป็นแก่เรา ซึ่งบอกความกว้างของเส้นที่จำเป็นในการบรรทุกกระแสโดยไม่มีปัญหาใดๆ ที่อาจเกิดขึ้น:

ความกว้าง [mils] = พื้นที่ [mils ^ 2] / (ความหนา [oz] * 1.378 [mils/oz]) โดยที่ 1.378 เกี่ยวข้องกับความหนามาตรฐาน 1 ออนซ์

โดยการใส่กระแส 2 แอมแปร์ลงในการคำนวณข้างต้น เราจะได้สายไฟขั้นต่ำ 30 ล้าน

แต่นั่นไม่ได้บอกเราว่าแรงดันตกคร่อมจะเป็นอย่างไร สิ่งนี้มีความเกี่ยวข้องมากกว่าเพราะจำเป็นต้องคำนวณความต้านทานของเส้นลวดซึ่งสามารถทำได้ตามสูตรที่แสดงในรูปที่ 4

ในสูตรนี้ ρ= สภาพต้านทานของทองแดง, α= สัมประสิทธิ์อุณหภูมิของทองแดง, T = ความหนาของเส้น, W = ความกว้างของเส้น, L = ความยาวร่องรอย, T = อุณหภูมิ หากใส่ค่าที่เกี่ยวข้องทั้งหมดลงในความยาว 0.8 “ของความกว้าง 30mils เราพบว่าความต้านทานของสายไฟอยู่ที่ประมาณ 0.03? และลดแรงดันไฟฟ้าลงได้ประมาณ 26mV ซึ่งเหมาะสำหรับแอปพลิเคชันนี้ การรู้ว่าสิ่งใดส่งผลต่อค่านิยมเหล่านี้เป็นประโยชน์

ระยะห่างและความยาวของสายเคเบิล PCB

สำหรับการออกแบบดิจิทัลที่มีการสื่อสารความเร็วสูง อาจจำเป็นต้องมีระยะห่างเฉพาะและปรับความยาวเพื่อลดการครอสทอล์ค คัปปลิ้ง และการสะท้อนกลับให้เหลือน้อยที่สุด เพื่อจุดประสงค์นี้ แอปพลิเคชั่นทั่วไปบางตัวคือสัญญาณความแตกต่างแบบอนุกรมที่ใช้ USB และสัญญาณความแตกต่างแบบขนานที่ใช้ RAM โดยปกติ USB 2.0 จะต้องมีการกำหนดเส้นทางที่แตกต่างกันที่ 480Mbit/s (คลาสความเร็วสูง USB) หรือสูงกว่า ส่วนหนึ่งเป็นเพราะ USB ความเร็วสูงมักจะทำงานที่แรงดันไฟฟ้าและความแตกต่างที่ต่ำกว่ามาก ทำให้ระดับสัญญาณโดยรวมใกล้เคียงกับเสียงพื้นหลังมากขึ้น

มีสิ่งสำคัญสามประการที่ควรพิจารณาเมื่อกำหนดเส้นทางสาย USB ความเร็วสูง: ความกว้างของสายไฟ ระยะห่างของตะกั่ว และความยาวสายเคเบิล

ทั้งหมดนี้มีความสำคัญ แต่ที่สำคัญที่สุดของทั้งสามคือต้องแน่ใจว่าความยาวของทั้งสองบรรทัดตรงกันมากที่สุด ตามหลักการทั่วไป หากความยาวของสายเคเบิลต่างกันไม่เกิน 50 ไมล์ (สำหรับ USB ความเร็วสูง) สิ่งนี้จะเพิ่มความเสี่ยงในการสะท้อน ซึ่งอาจส่งผลให้การสื่อสารไม่ดี อิมพีแดนซ์การจับคู่ 90 โอห์มเป็นข้อกำหนดทั่วไปสำหรับการเดินสายคู่เฟืองท้าย เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ การกำหนดเส้นทางควรได้รับการปรับให้เหมาะสมในด้านความกว้างและระยะห่าง

รูปที่ 5 แสดงตัวอย่างคู่ดิฟเฟอเรนเชียลสำหรับการเดินสายอินเทอร์เฟซ USB ความเร็วสูงที่มีการเดินสายกว้าง 12 mil ในช่วงเวลา 15 mil

อินเทอร์เฟซสำหรับส่วนประกอบที่ใช้หน่วยความจำซึ่งมีอินเทอร์เฟซแบบขนาน (เช่น DDR3-SDRAM) จะถูกจำกัดมากขึ้นในแง่ของความยาวของสายไฟ ซอฟต์แวร์ออกแบบ PCB ระดับไฮเอนด์ส่วนใหญ่จะมีความสามารถในการปรับความยาวที่ปรับความยาวของสายให้เหมาะสมเพื่อให้ตรงกับสัญญาณที่เกี่ยวข้องทั้งหมดในบัสคู่ขนาน รูปที่ 6 แสดงตัวอย่างเลย์เอาต์ DDR3 พร้อมการเดินสายปรับความยาว

ร่องรอยและระนาบของการถมดิน

แอปพลิเคชันบางตัวที่มีส่วนประกอบที่ไวต่อสัญญาณรบกวน เช่น ชิปไร้สายหรือเสาอากาศ อาจต้องการการป้องกันเพิ่มเติมเล็กน้อย การออกแบบการเดินสายและระนาบที่มีรูกราวด์ฝังไว้สามารถช่วยลดการเชื่อมต่อของสายไฟในบริเวณใกล้เคียงหรือการหยิบเครื่องบินและสัญญาณนอกบอร์ดที่คลานเข้าไปในขอบของบอร์ดได้อย่างมาก

รูปที่ 7 แสดงตัวอย่างโมดูล Bluetooth ที่วางอยู่ใกล้ขอบของเพลต โดยมีเสาอากาศ (ผ่านหน้าจอพิมพ์เครื่องหมาย “ANT”) นอกเส้นหนาที่มีรูทะลุที่เชื่อมต่อกับรูปแบบกราวด์ ซึ่งจะช่วยแยกเสาอากาศออกจากวงจรและระนาบอื่นๆ บนเครื่องบิน

วิธีการอื่นในการกำหนดเส้นทางผ่านกราวด์ (ในกรณีนี้คือระนาบหลายเหลี่ยม) สามารถใช้เพื่อป้องกันวงจรของบอร์ดจากสัญญาณไร้สายภายนอกบอร์ด รูปที่ 8 แสดง PCB ที่ไวต่อสัญญาณรบกวนพร้อมระนาบฝังผ่านรูที่ต่อลงดินตามขอบของบอร์ด

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการเดินสาย PCB

มีหลายปัจจัยกำหนดลักษณะการเดินสายของฟิลด์ PCB ดังนั้น โปรดปฏิบัติตามแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดเมื่อเดินสาย PCB ถัดไป และคุณจะพบความสมดุลระหว่างต้นทุนของ PCB ความหนาแน่นของวงจร และประสิทธิภาพโดยรวม