سماكة النحاس وهياكل الطبقات والمعاوقة

ثلاثة أمور تحدد السلوك الكهربائي والحراري للوحة ما وراء تخطيطها: كم سماكة النحاس، وكيف تُرتّب الطبقات، وكم تبعد كل طبقة عن جاراتها. يشرح هذا المقال كلًا منها، ومتى تحتاجون إخبار المصنع عنها.

سماكة النحاس

تُعطى سماكة النحاس كوزن للمساحة: أونصات للقدم المربعة. أونصة واحدة من النحاس منتشرة على قدم مربعة واحدة سماكتها حوالي 35 ميكرومترًا (0.035 mm، أو 1.4 mil). أونصتان حوالي 70 µm.

1. سماكة النحاس: المسار نفسه عند ثلاث سماكات.
2. الصفيحة العازلة تحت النحاس.
3. النقش يقطع جانبًا كما يقطع لأسفل، لذا النحاس السميك يترك قواعد مسار أعرض ويحتاج فجوات أعرض.

أمران يسهل إغفالهما:

• الطبقات الخارجية تكتسب نحاسًا في الطلاء. لوحة تُطلب بنحاس خارجي «1 oz» تُصنع عادة من رقاقة أرقّ، ثم تُطلى بنحاس، لأن الثقوب يجب طلاؤها. يُذكر السمك النهائي بشكل مختلف من صانعين مختلفين؛ اسألوا ما إذا كان الرقم هو رقاقة البدء أو النحاس النهائي.
• النحاس الأسمك يحتاج فجوات أعرض ومسارات أعرض. النقش يذهب جانبًا كما يذهب لأسفل، لذا النحاس الثقيل يحتاج مساحة أكثر ليُنقش بنظافة. النحاس الثقيل يغيّر أيضًا كيف يضبط المصنع الحد الأدنى للمسار والفجوة. لا تصمموا نحاس 3 oz بالفجوات التي تستخدمونها لـ 0.5 oz.

كم تيارًا يستطيع مسار حمله

التيار الذي يستطيع مسار حمله يعتمد على عرضه وسماكة النحاس وارتفاع درجة الحرارة الذي تقبلونه، وما إذا كان على طبقة خارجية (مُبرَّدة بالهواء) أو طبقة داخلية (لا). المرجع القياسي لهذا هو IPC-2221، الذي يعطي منحنيات، ورفيقه الأحدث IPC-2152 يُعتبر مصدرًا أفضل. استخدموا حاسبة مبنية عليهما، أضيفوا هامشًا، وعاملوا نتائج الطبقات الداخلية بعناية أكثر. لمسار يحمل أكثر من بضعة أمبيرات، فكّروا في مسار أعرض أو سكب مضلع أو سماكة نحاس إضافية أو نحاس مقوّى باللحام، لا مسار رقيق مدفوع إلى حدّه.

هياكل الطبقات

هيكل الطبقات هو القائمة المرتبة للطبقات وما بينها: نحاس وسماكة العازل ونوعه ونحاس، وهكذا. كل لوحة متعددة الطبقات لها واحد، ويقرر المصنع الفعلي ما لم تذكروه.

1. طبقتان: نحاس، قلب واحد، نحاس.
2. أربع طبقات: نحاس خارجي، prepreg، نحاس داخلي، قلب، نحاس داخلي، prepreg، نحاس خارجي.
3. ست طبقات: قلبان وثلاث طبقات prepreg بين ست طبقات نحاس.
4. Prepreg: قماش زجاجي براتنج مُعالَج جزئيًا، يذوب ويلصق الطبقات عند ضغط اللوحة.
5. القلب: صفيحة صلبة بنحاس على كلا الجانبين.

طبقتان

نحاس على كلا الجانبين، قلب واحد بينهما. بسيطة ورخيصة. جيدة للرقمي البسيط ومنخفض السرعة والعديد من التصاميم التناظرية.

أربع طبقات

الخطوة الأكثر شيوعًا للأعلى. ترتيب معتاد:

1. إشارة (علوية)
2. مستوى أرضي
3. مستوى قدرة (أو أرضي ثانٍ)
4. إشارة (سفلية)

المستوى الأرضي الصلب تحت الإشارات العلوية يعطي مسار عودة للتيار ويبقي مساحات الحلقة صغيرة، وهذا يساعد الضوضاء والانبعاث معًا. الطبقات الداخلية نحاس 0.5 oz أو 1 oz. لوحة بسماكة إجمالية 1.6 mm هي الحالة المعتادة، مع عازل خارجي رقيق (بحيث تقع الإشارات العلوية قريبة من المستوى الأرضي) وقلب أسمك في الوسط.

ست طبقات

ترتيب شائع هو إشارة، أرضي، إشارة، إشارة، قدرة، إشارة، أو إشارة، أرضي، إشارة، قدرة، أرضي، إشارة. الفكرة أن كل طبقة إشارة لها مستوى بجانبها، والمستويات قريبة من بعضها حيث أمكن. ست طبقات تسمح بإشارات أسرع وتخطيط أكثف وفصل أفضل بين الأجزاء الصاخبة والهادئة.

التماثل

حافظوا على هيكل الطبقات متماثلًا حول المركز في كمية النحاس وسماكة العازل معًا. لوحة غير متوازنة تنحني أو تلتوي عند التسخين في الانصهار، ولوحة منحنية صعبة التجميع. إن كان النحاس في الأعلى في معظمه ملء أرضي والأسفل فارغ، أضيفوا ملءً للموازنة.

المعاوقة المضبوطة

يتصرف مسار على لوحة كخط نقل. معاوقته المميزة، بالأوم، تعتمد على:

• عرض المسار،
• المسافة إلى مستوى المرجع (سماكة العازل)،
• ثابت العزل (Dk) للمادة،
• سماكة النحاس،
• للأزواج التفاضلية، الفجوة بين المسارين.

يُظهر الرسم الأبعاد التي يمكنكم رؤيتها. سماكة النحاس وثابت عزل المادة يهمان أيضًا.

1. عرض المسار.
2. ارتفاع العازل بين المسار ومستوى مرجعه.
3. الفجوة بين المسارين لزوج تفاضلي.
4. مستوى المرجع: طبقة نحاس صلبة تحت المسارات. حافظوا عليها غير مكسورة.

عندما تسافر إشارة بسرعة كافية، عدم تطابق بين معاوقة المسار وتلك الخاصة بالمشغّل والمستقبِل يسبب انعكاسات. ما إذا كانت هذه مشكلة يعتمد على زمن الصعود وطول المسار، لا تردد الساعة فقط.

متى يهم

تحتاجون معاوقة مضبوطة لواجهات يطلب معيارها ذلك. أهداف معتادة:

• 50 Ω أحادي الطرف للعديد من إشارات الراديو والإشارات السريعة أحادية الطرف،
• 90 Ω تفاضلي لـ USB،
• 100 Ω تفاضلي لـ Ethernet وللعديد من أزواج LVDS وHDMI ونوع DDR،
• 85 Ω تفاضلي لـ PCIe يُذكر شائعًا.

تحقّقوا من الهدف في ورقة البيانات أو معيار واجهتكم، لأن القيم تختلف بين الإصدارات والتصاميم.

لا تحتاجونها للإشارات البطيئة، أو GPIO المعتاد، أو القدرة. طلبها عندما لا تحتاجونها يضيف تكلفة.

ما يحتاجه المصنع

• هيكل طبقات. ترتيب الطبقات وسماكات النحاس ونوع العازل وسماكته والسماكة الإجمالية. قد يقترح مهندسو المصنع واحدًا يناسب موادهم.
• أي مسارات، على أي طبقات، بأي معاوقة هدف. للأزواج التفاضلية، قولوا أي مسارات هي الزوج.
• التسامح الذي تقبلونه. عشرة بالمئة رقم معتاد. الأضيق يكلّف أكثر.
• كيف يُتحقق منها. تضع المصانع كوبونات اختبار على حافة التجميعة وتقيسها؛ اللوحة نفسها لا تُقاس. اسألوا ما إذا كنتم تستلمون تقريرًا.

عرض المسار والفجوة حينها يضبطهما مهندس المصنع للوصول إلى الهدف على هيكل الطبقات الحقيقي، ولهذا يجب أن تقبلوا أن عرضكم المرسوم قد يتغير بمقدار صغير.

الحساب

أدوات حلال المجال في برامج التصميم وحاسبات مجانية على الإنترنت تعطي تقديرًا أولًا جيدًا. رقم المصنع الخاص لـ Dk والسماكة هو الذي يهم، لأن القيم الاسمية على ورقة بيانات تختلف عن لوحة مضغوطة.

نصيحة عملية

1. اطلبوا هيكل الطبقات القياسي للمصنع لعدد الطبقات والسماكة قبل التوجيه.
2. وجّهوا مسارات المعاوقة المضبوطة فقط على طبقات يصفها هيكل الطبقات.
3. حافظوا على مستويات المرجع غير مكسورة تحت الإشارات السريعة.
4. لا تخلطوا سماكات نحاس على طبقة واحدة دون إخبار المصنع.
5. اذكروا ما هو حرج في ملاحظة قصيرة، لا في الرسم فقط.

كيف يظهر هذا عند الطلب هنا

إن طلبتم ضبط معاوقة دون هيكل طبقات، يقول الفحص ذلك: «التحكم في المعاوقة يحتاج إلى هيكل طبقات» هي إحدى عمليات فحصه الـ25. لا يستطيع الفحص أن يعرف من الملفات أن مسارًا يحتاج معاوقة مضبوطة، أو ما إذا كان هيكل طبقاتكم يناسب تصميمكم؛ قولوا أي مسارات وأي أهداف مع الطلب. المواد وهياكل الطبقات المتاحة موجودة في صفحة إمكانات التصنيع، ويؤكد مهندس التفاصيل مع الطلب. للمواد، اقرؤوا مواد قاعدة PCB.