PCB-rutingsregler: sporingsbredde, avstand og produksjonsvalg som betyr noe

Hvert rutet bord vi ser på fabrikken vår forteller en historie om beslutningene som ble tatt før de kom. Et skjema definerer den elektriske funksjonen, men ruting avgjør om denne funksjonen kan produseres til en fornuftig pris, innenfor en realistisk ledetid, og med nok margin til å overleve år med varme, vibrasjoner og spenningsspenninger. Vår erfaring som PCB-produsent er at de fleste produksjonsproblemene som kan forebygges – brente spor, mislykkede klaringer, skjeve paneler, dårlig plating – går tilbake til en håndfull rutingsregler som enten ble savnet eller misforstått. Denne artikkelen forklarer hva ruting av et PC-kort egentlig innebærer, hvilke parametere som betyr mest, og hvordan du setter rutingbegrensninger som en fabrikk faktisk kan bygge uten tvist.

Hva ruting av et PC-kort faktisk innebærer

Ruting er layouttrinnet der hvert elektrisk nett i skjemaet blir en fysisk kobberbane. Programvare kan tegne disse banene automatisk, men resultatet er bare så godt som begrensningene designeren gir: sporbredde, avstand mellom ledere, tillatte lag, via-typer og kobberfordelingen som etse- og pletteringsprosessen vil se.

Ruten skaper også bakkereferanseplanene, kraftøyene og termiske stiene som får et design til å fungere i den virkelige verden. Plassering av komponenter avgjør hvor deler sitter; ruting avgjør hvordan de kobles til. Mellom de to har ruting størst innflytelse på produksjonskostnad og utbytte, fordi sporgeometri og kobberbalanse direkte påvirker hvordan fabrikken etser, plater og laminerer panelet.

Sporbredde: Den første rutebeslutningen

Sporbredde er det første tallet som settes fordi det har tre krav samtidig: strømkapasitet, spenningsfall og karakteristisk impedans. Signalspor kan være tynne; kraftnett trenger tverrsnitt. Referansen som brukes av de fleste fabrikker er IPC-2221. For 1 oz (35 µm) kobber på et eksternt lag med 10°C temperaturøkning, er den estimerte strømkapasiteten omtrent som følger.

To rettelser har betydning i praksis. Spor på indre lag sprer omtrent halvparten så mye varme som eksterne spor, så gjeldende tabell bør nedjusteres tilsvarende. Og disse verdiene antar en beskjeden stigning på 10°C; hvis det omkringliggende kabinettet blokkerer luftstrømmen eller omgivelsestemperaturen er høy, faller den sikre strømmen ytterligere. Når et design må bære vedvarende høy strøm, bør ruten bruke et kobberstøp, et fly eller et tykkere kobberlag i stedet for et enkelt smalt spor. Vår linje ruter regelmessig 2 oz til 10 oz tykke kobberplater, og sporbreddetabellene for disse vektene ser veldig annerledes ut enn 1 oz-verdiene ovenfor.

Klaring og avstand: Sett dem for spenning, ikke bare for designregelsjekken

Klaring er avstanden mellom to kobbertrekk: spor til spor, spor til pute, pute til via. En designregelsjekk vil bekrefte hvilket nummer som er skrevet inn i CAD-verktøyet, men det riktige tallet kommer fra spenning, signalintegritet og fabrikkkapasitet, ikke fra en standardregel. For lavspentsignalnett inne i et lukket produkt er 0,1 mm (4 mil) mellom sporene vanlig; vår standardkapasitet er 4 mil, og vi kan holde 3 mil spor og plass der designtettheten krever det.

Klarering bør ikke være en enkelt global verdi. Arbeidsspenning, forurensningsgrad, belegg, høyde og transiente spenninger påvirker alle krypeavstanden et produkt trenger. IPC-2221B inneholder avstand-versus-spenningstabellene som samsvarsingeniører bruker; som en praktisk regel bør ethvert nett som bærer mer enn 50 V, eller ethvert spor som føres nær brettkanten, bruke vesentlig større klaring enn standard designregel.

For høyhastighetssignaler kontrollerer avstand både kobling og impedans. Et matchet differensialpar holder målimpedansen bare når gapet mellom de to sporene forblir konstant, og referanseplanet under betyr mer enn den absolutte klaringsverdien. For RF-kretser er en 50 Ω-kurve definert av dens bredde, den dielektriske tykkelsen og avstanden til jordplanet under den.

Lagstabling: Rutingtetthet driver kostnadene og ledetiden

Antall lag er den største rutebeslutningen et design tar. Hvis to lag kan håndtere tettheten, er en seks-lags stackup bortkastede penger. Hvis designet trenger kontinuerlig strøm og jordplan, tett impedanskontroll eller tett BGA-fan-out, flyttes stablen til fire, seks eller flere lag. Å flytte fra to lag til fire dobler omtrent prosesskostnadene, fordi innerlagsavbildning, laminering, justering og ytterligere boretrinn legges til ruten. Ledetidene vokser også med antall lag. Ved anlegget vårt i Guangde Economic Development Zone er publiserte produksjonsledertider etter lagtelling som følger.

Ruten setter stablen, og stackupen setter leveringsdatoen. Hvis et design bare trenger 12 lag fordi de ytre signallagene er dårlig brukt, ville en renere firelags rute ha kommet på en brøkdel av tiden. Fabrikken vår bygger fra 1 til 32 lag, og mønsteret er konsekvent: effektiv ruting forkorter ledetiden mer pålitelig enn noen ekspedisjonsavgift.

DFM-regler: Rute veien en fabrikk Etser, plater og laminater

En rute som passerer nettliste- og signalsjekker kan fortsatt mislykkes på fabrikkgulvet. Platen må være etset, boret, belagt og presset, og hver prosess har geometriske grenser. Følgende regler forhindrer de vanligste gjentatte feilene.

Kobberbalanse og tyveri

Når ett område av et lag er en solid støping og et annet er nesten tomt, blir tykkelsen på belegget ujevn og laminering kan deformere panelet. God ruting fordeler kobber over hvert lag; der det er umulig, legg til tyveklosser eller skravert kobber. CAM-teamet vårt legger til tyveri under verktøying, men en rutet design som kommer balansert går gjennom raskere og plater mer jevnt.

Vias og ringformet ring

Hver via trenger en ringformet ring: kobberringen rundt det borede hullet som forbinder tønnen med sporet. Hvis ringen er for liten, bryter borefeilregistrering forbindelsen. En ringformet ring på minimum 4 mil (0,1 mm) er en sikker arbeidsregel for standardbehandling. Blind og nedgravde vias reduserer antall lag i tette design, men hver via-type legger til bore- og lamineringstrinn; via-i-pad, nyttig under BGAer, krever fylling og ekstra plating. HDI-kort med mikrovia danner en egen prosessfamilie, som vår HDI-linje leverer innen 25 dager.

Termiske avlastninger

Når en gjennomhullspute kobles til et stort kobberstøp, fungerer det som en kjøleribbe under lodding. Uten termiske avlastningseiker kan det hende at puten ikke når loddetemperatur. Ruter flytilkoblede puter med termiske avlastninger der gjeldende klassifisering tillater det.

En praktisk sjekkliste for ruting å kjøre før du sender filer:

• Dimensjoner strømsporer og strømmer for vedvarende worst-case strøm, ikke for den typiske belastningen.
• Bruk per-net-klasse klareringsregler; høyspennings-, høyhastighets- og generelle signalnett trenger sjelden samme avstand.
• Hold kobberfordelingen på hvert lag rimelig jevn, og legg tyveri til lag som stort sett er tomme.
• Bekreft minimum spor/plass, minimum ringformet ring og minimum via borstørrelse med fabrikken før du fullfører ruten.
• Plasser et solid referanseplan under hver høyhastighets- eller impedanskontrollert rute.

Materialer og overflatebehandlinger som endrer rutereglene

Underlaget og overflaten endrer ruteparametere like mye som den elektriske kretsen gjør. Standard FR-4 håndterer generelle digitale og analoge kort godt. High-Tg FR-4 motstår CAF-feil i tykke flerlagskort og er vanlig i bilelektronikk; halogenfri FR-4 dekker miljøkrav; høyfrekvente laminater med kontrollert Dk og Df brukes for RF og høyhastighets digital, og sporbredden som trengs for en 50 Ω linje endres med hvert materiale.

Metallkjerneplater - aluminium eller kobberbase - leder varme gjennom underlaget, slik at strømkretser kan bruke smalere ruter, men boring og etsing av metallkjerner følger forskjellige designregler. Vårt produktspekter inkluderer FR-4, høy-Tg, halogenfrie, høyfrekvente, aluminiumbaserte, kobberbaserte og keramikkbaserte plater, med overflatebehandlinger som OSP, blyfri HASL, immersion gold og immersion tin. Valg av finish påvirker hovedsakelig loddeevne og holdbarhet, så det bør tilpasses monteringsprosessen i stedet for å behandles som en ettertanke.

Rute med produksjon i tankene

Ruting er der et design blir et fysisk objekt, og det objektet bedømmes av en fabrikk. Tavler som sendes i tide og fungerer pålitelig er sjelden produkter av smarte auto-ruterinnstillinger; de er produktene av sporbredder dimensjonert for strøm, klaringer satt for spenning, stackups valgt for tetthet, og DFM-detaljer respektert fra første layoutpass. Spør tidlig når du er i tvil: en tosidig prototype fra fabrikken vår kan leveres på 24 timer, og en rask iterasjon koster langt mindre enn en 16-lags batch som mislykkes i elektrisk test på grunn av en avstandsfeil. Hvis du trenger en anbefaling, en DFM-gjennomgang eller et tilbud på et rutet bord fra 1 til 32 lag, er ingeniørteamet vårt satt opp til å svare med detaljer.