Kupferdicke, Lagenaufbau und Impedanz

Drei Dinge bestimmen das elektrische und thermische Verhalten einer Platine über ihr Layout hinaus: wie dick das Kupfer ist, wie die Lagen angeordnet sind und wie weit jede Lage von ihren Nachbarn entfernt ist. Dieser Artikel erklärt jeden Punkt und wann Sie dem Werk darüber Angaben machen müssen.

Kupferdicke

Die Kupferdicke wird als Gewicht pro Fläche angegeben: Unzen pro Quadratfuß. Eine Unze Kupfer, verteilt über einen Quadratfuß, ist etwa 35 Mikrometer (0,035 mm oder 1,4 mil) dick. Zwei Unzen sind etwa 70 µm.

1. Kupferdicke: dieselbe Leiterbahn bei drei Dicken.
2. Das isolierende Laminat unter dem Kupfer.
3. Der Ätzvorgang schneidet seitlich ebenso wie nach unten, sodass dickes Kupfer breitere Leiterbahnfüße hinterlässt und breitere Abstände braucht.

Zwei Dinge sind leicht zu übersehen:

• Außenlagen gewinnen beim Beschichten Kupfer hinzu. Eine Platine, die mit „1 oz“ Außenkupfer bestellt wird, wird meist aus dünnerer Folie gefertigt und dann mit Kupfer aufgebaut, weil die Bohrungen beschichtet werden müssen. Die fertige Dicke wird von verschiedenen Herstellern unterschiedlich angegeben; fragen Sie, ob die Angabe die Ausgangsfolie oder das fertige Kupfer ist.
• Dickeres Kupfer braucht breitere Abstände und breitere Leiterbahnen. Das Ätzen geht seitlich ebenso wie nach unten, sodass schweres Kupfer mehr Platz braucht, um sauber geätzt zu werden. Schweres Kupfer ändert auch, wie das Werk die minimale Leiterbahn und den minimalen Abstand festlegt. Entwerfen Sie 3-oz-Kupfer nicht mit den Abständen, die Sie für 0,5 oz verwenden würden.

Wie viel Strom eine Leiterbahn führen kann

Der Strom, den eine Leiterbahn führen kann, hängt von ihrer Breite, der Kupferdicke, dem Temperaturanstieg, den Sie akzeptieren, und davon ab, ob sie auf einer Außenlage (von Luft gekühlt) oder einer Innenlage (nicht gekühlt) liegt. Die Normreferenz dafür ist IPC-2221, die Kurven gibt, und ihr neuerer Begleiter IPC-2152 gilt als bessere Quelle. Verwenden Sie einen darauf beruhenden Rechner, geben Sie Reserve hinzu und behandeln Sie Ergebnisse für Innenlagen vorsichtiger. Für eine Leiterbahn, die mehr als einige Ampere führt, erwägen Sie eine breitere Leiterbahn, einen Polygon-Pour, mehr Kupferdicke oder lötverstärktes Kupfer, nicht eine dünne Leiterbahn, die an ihre Grenze gebracht wird.

Lagenaufbau

Ein Lagenaufbau ist die geordnete Liste der Lagen und dessen, was zwischen ihnen liegt: Kupfer, Dicke und Art des Dielektrikums, Kupfer und so weiter. Jede mehrlagige Platine hat einen, und das Werk entscheidet über den tatsächlichen, sofern Sie ihn nicht angeben.

1. Zwei Lagen: Kupfer, ein Kern, Kupfer.
2. Vier Lagen: Außenkupfer, Prepreg, Innenkupfer, ein Kern, Innenkupfer, Prepreg, Außenkupfer.
3. Sechs Lagen: zwei Kerne und drei Prepreg-Lagen zwischen sechs Kupferlagen.
4. Prepreg: Glasgewebe mit teilausgehärtetem Harz, das schmilzt und die Lagen verbindet, wenn die Platine gepresst wird.
5. Kern: ein steifes Laminat mit Kupfer auf beiden Seiten.

Zwei Lagen

Kupfer auf beiden Seiten, ein Kern dazwischen. Einfach und günstig. Gut für einfache digitale, langsame und viele analoge Entwürfe.

Vier Lagen

Der häufigste Schritt nach oben. Eine übliche Anordnung:

1. Signal (oben)
2. Massefläche
3. Versorgungsfläche (oder zweite Masse)
4. Signal (unten)

Die massive Massefläche unter den oberen Signalen gibt einen Rückweg für den Strom und hält die Schleifenflächen klein, was sowohl Rauschen als auch Abstrahlung hilft. Die Innenlagen sind Kupfer mit 0,5 oz oder 1 oz. Eine Platine mit 1,6 mm Gesamtdicke ist der übliche Fall, mit dünnem äußerem Dielektrikum (sodass die oberen Signale dicht an der Massefläche sitzen) und einem dickeren Kern in der Mitte.

Sechs Lagen

Eine häufige Anordnung ist Signal, Masse, Signal, Signal, Versorgung, Signal oder Signal, Masse, Signal, Versorgung, Masse, Signal. Der Gedanke ist, dass jede Signallage eine Fläche neben sich hat und die Flächen möglichst dicht beieinander liegen. Sechs Lagen erlauben schnellere Signale, ein dichteres Layout und eine bessere Trennung zwischen lauten und ruhigen Teilen.

Symmetrie

Halten Sie den Lagenaufbau um die Mitte symmetrisch, sowohl bei der Kupfermenge als auch bei der Dicke des Dielektrikums. Eine unsymmetrische Platine wölbt oder verdreht sich beim Erhitzen im Reflow, und eine gewölbte Platine ist schwer zu bestücken. Wenn das Kupfer oben meist Massefüllung ist und die Unterseite leer ist, fügen Sie Füllung zum Ausgleich hinzu.

Impedanzkontrolle

Eine Leiterbahn auf einer Platine verhält sich wie eine Übertragungsleitung. Ihre charakteristische Impedanz in Ohm hängt ab von:

• der Leiterbahnbreite,
• dem Abstand zur Bezugsfläche (der Dicke des Dielektrikums),
• der Dielektrizitätszahl (Dk) des Materials,
• der Kupferdicke,
• bei differentiellen Paaren vom Abstand zwischen den beiden Leiterbahnen.

Die Zeichnung zeigt die Abmessungen, die Sie sehen können. Kupferdicke und Dielektrizitätszahl des Materials zählen ebenfalls.

1. Leiterbahnbreite.
2. Höhe des Isolators zwischen der Leiterbahn und ihrer Bezugsfläche.
3. Abstand zwischen den beiden Leiterbahnen eines differentiellen Paars.
4. Die Bezugsfläche: eine massive Kupferlage unter den Leiterbahnen. Halten Sie sie ununterbrochen.

Wenn ein Signal schnell genug läuft, verursacht eine Fehlanpassung zwischen der Impedanz der Leiterbahn und der von Treiber und Empfänger Reflexionen. Ob das ein Problem ist, hängt von der Anstiegszeit und der Leiterbahnlänge ab, nicht nur von der Taktfrequenz.

Wann es darauf ankommt

Sie brauchen Impedanzkontrolle für Schnittstellen, deren Norm sie verlangt. Typische Ziele:

• 50 Ω einfach für viele Funk- und schnelle einfach endende Signale,
• 90 Ω differentiell für USB,
• 100 Ω differentiell für Ethernet und für viele LVDS-, HDMI- und DDR-artige Paare,
• 85 Ω differentiell für PCIe wird häufig genannt.

Prüfen Sie das Ziel im Datenblatt oder in der Norm für Ihre Schnittstelle, da Werte zwischen Versionen und Entwürfen abweichen.

Sie brauchen sie nicht für langsame Signale, für typisches GPIO oder für Versorgung. Sie zu verlangen, wenn Sie sie nicht brauchen, erhöht die Kosten.

Was das Werk braucht

• Einen Lagenaufbau. Reihenfolge der Lagen, Kupferdicken, Art und Dicke des Dielektrikums und Gesamtdicke. Die Ingenieure des Werks können einen vorschlagen, der zu ihren Materialien passt.
• Welche Leiterbahnen auf welchen Lagen mit welcher Zielimpedanz. Bei differentiellen Paaren sagen Sie, welche Leiterbahnen das Paar bilden.
• Die Toleranz, die Sie akzeptieren. Zehn Prozent ist ein üblicher Wert. Enger kostet mehr.
• Wie sie geprüft wird. Werke legen Testcoupons an den Rand des Nutzens und messen sie; die Platine selbst wird nicht gemessen. Fragen Sie, ob Sie einen Bericht erhalten.

Leiterbahnbreite und -abstand werden dann vom Ingenieur des Werks angepasst, um das Ziel auf dem realen Lagenaufbau zu erreichen, weshalb Sie akzeptieren müssen, dass sich Ihre gezeichnete Breite um einen kleinen Betrag ändern kann.

Berechnung

Feldlöser-Werkzeuge in Entwurfssoftware und freie Online-Rechner geben eine gute erste Schätzung. Die Angabe des Werks für Dk und Dicke ist die, die zählt, da die Nennwerte auf einem Datenblatt von einer gepressten Platine abweichen.

Praktische Hinweise

1. Fragen Sie vor dem Routen nach dem Standard-Lagenaufbau des Werks für die Lagenzahl und -dicke.
2. Routen Sie impedanzkontrollierte Leiterbahnen nur auf Lagen, die der Lagenaufbau beschreibt.
3. Halten Sie Bezugsflächen unter schnellen Signalen ununterbrochen.
4. Mischen Sie Kupferdicken auf einer Lage nicht, ohne es dem Werk zu sagen.
5. Geben Sie an, was kritisch ist, in einer kurzen Notiz, nicht nur in der Zeichnung.

Wie dies beim Bestellen hier erscheint

Wenn Sie Impedanzkontrolle ohne Lagenaufbau bestellen, sagt die Prüfung es: „Impedanzkontrolle braucht einen Lagenaufbau“ ist eine ihrer 25 Prüfungen. Die Prüfung kann aus den Dateien nicht erkennen, dass eine Leiterbahn Impedanzkontrolle braucht, oder ob Ihr Lagenaufbau zu Ihrem Entwurf passt; geben Sie mit der Bestellung an, welche Leiterbahnen und welche Ziele gelten. Die Materialien und die verfügbaren Lagenaufbauten stehen auf der Seite zu den Fertigungsmöglichkeiten, und ein Ingenieur bestätigt die Einzelheiten mit der Bestellung. Zu Materialien lesen Sie Basismaterialien für Leiterplatten.