Peso del rame, stack-up e impedenza

Tre elementi determinano il comportamento elettrico e termico di una scheda oltre al suo layout: lo spessore del rame, la disposizione degli strati e la distanza di ogni strato dai suoi vicini. Questo articolo spiega ciascuno di essi e quando Lei deve comunicarli alla fabbrica.

Peso del rame

Lo spessore del rame è espresso come peso per area: once per piede quadrato. Un'oncia di rame distribuita su un piede quadrato ha uno spessore di circa 35 micrometri (0,035 mm, oppure 1,4 mil). Due once corrispondono a circa 70 µm.

1. Spessore del rame: la stessa pista a tre pesi.
2. Il laminato isolante sotto il rame.
3. L'incisione taglia lateralmente oltre che in profondità, quindi il rame spesso lascia basi di pista più larghe e richiede spaziature più ampie.

Due aspetti sono facili da trascurare:

• Gli strati esterni guadagnano rame in metallizzazione. Una scheda ordinata con rame esterno di "1 oz" è di solito realizzata da una lamina più sottile, poi metallizzata con rame, perché i fori devono essere metallizzati. Lo spessore finito è indicato in modo diverso da produttori diversi; chieda se il valore è la lamina iniziale o il rame finito.
• Il rame più spesso richiede spaziature più ampie e piste più larghe. L'incisione procede lateralmente oltre che in profondità, quindi il rame pesante richiede più spazio per essere inciso in modo netto. Il rame pesante cambia anche il modo in cui la fabbrica imposta la pista minima e la spaziatura minima. Non progetti rame da 3 oz con le spaziature che userebbe per 0,5 oz.

Quanta corrente può portare una pista

La corrente che una pista può portare dipende dalla sua larghezza, dallo spessore del rame, dall'aumento di temperatura che Lei accetta e dal fatto che si trovi su uno strato esterno (raffreddato dall'aria) o su uno strato interno (non raffreddato). Il riferimento standard per questo è IPC-2221, che fornisce curve, e il suo complemento più recente IPC-2152 è considerato una fonte migliore. Usi un calcolatore basato su di essi, aggiunga margine e tratti i risultati per gli strati interni con più cautela. Per una pista che porta più di pochi ampere, consideri una pista più larga, un riempimento poligonale, un peso del rame aggiuntivo o rame rinforzato con saldatura, non una pista sottile spinta al suo limite.

Stack-up

Uno stack-up è l'elenco ordinato degli strati e di ciò che si trova tra di essi: rame, spessore e tipo di dielettrico, rame e così via. Ogni scheda multistrato ne ha uno e la fabbrica decide quello effettivo a meno che Lei non lo specifichi.

1. Due strati: rame, un core, rame.
2. Quattro strati: rame esterno, prepreg, rame interno, un core, rame interno, prepreg, rame esterno.
3. Sei strati: due core e tre strati di prepreg tra sei strati di rame.
4. Prepreg: tessuto di vetro con resina parzialmente polimerizzata, che fonde e lega gli strati quando la scheda viene pressata.
5. Core: un laminato rigido con rame su entrambi i lati.

Due strati

Rame su entrambi i lati, un core tra di essi. Semplice ed economico. Adatto a progetti digitali semplici, a bassa velocità e a molti progetti analogici.

Quattro strati

Il passaggio più comune. Una disposizione abituale:

1. Segnale (lato superiore)
2. Piano di massa
3. Piano di alimentazione (o seconda massa)
4. Segnale (lato inferiore)

Il piano di massa solido sotto i segnali superiori fornisce un percorso di ritorno per la corrente e mantiene piccole le aree dei loop, il che aiuta sia per il rumore sia per le emissioni. Gli strati interni sono in rame da 0,5 oz o 1 oz. Una scheda di 1,6 mm di spessore totale è il caso abituale, con il dielettrico esterno sottile (in modo che i segnali superiori si trovino vicino al piano di massa) e un core più spesso al centro.

Sei strati

Una disposizione comune è segnale, massa, segnale, segnale, alimentazione, segnale, oppure segnale, massa, segnale, alimentazione, massa, segnale. L'idea è che ogni strato di segnale abbia un piano accanto e che i piani siano vicini tra loro dove possibile. Sei strati consentono segnali più rapidi, un layout più denso e una migliore separazione tra parti rumorose e parti silenziose.

Simmetria

Mantenga lo stack-up simmetrico rispetto al centro sia per la quantità di rame sia per lo spessore del dielettrico. Una scheda non bilanciata si incurva o si torce quando viene riscaldata in rifusione e una scheda incurvata è difficile da montare. Se il rame sul lato superiore è per lo più riempimento di massa e il lato inferiore è vuoto, aggiunga riempimento per bilanciare.

Controllo di impedenza

Una pista su una scheda si comporta come una linea di trasmissione. La sua impedenza caratteristica, in ohm, dipende da:

• la larghezza della pista,
• la distanza dal piano di riferimento (lo spessore del dielettrico),
• la costante dielettrica (Dk) del materiale,
• lo spessore del rame,
• per le coppie differenziali, la spaziatura tra le due piste.

Il disegno mostra le dimensioni che Lei può vedere. Contano anche lo spessore del rame e la costante dielettrica del materiale.

1. Larghezza della pista.
2. Altezza dell'isolante tra la pista e il suo piano di riferimento.
3. Spaziatura tra le due piste di una coppia differenziale.
4. Il piano di riferimento: uno strato di rame solido sotto le piste. Lo mantenga ininterrotto.

Quando un segnale viaggia abbastanza rapidamente, una mancata corrispondenza tra l'impedenza della pista e quella del driver e del ricevitore causa riflessioni. Se questo è un problema dipende dal tempo di salita e dalla lunghezza della pista, non solo dalla frequenza di clock.

Quando è rilevante

Lei ha bisogno del controllo di impedenza per le interfacce il cui standard lo richiede. Valori tipici:

• 50 Ω single-ended per molti segnali radio e segnali single-ended rapidi,
• 90 Ω differenziale per USB,
• 100 Ω differenziale per Ethernet e per molte coppie di tipo LVDS, HDMI e DDR,
• 85 Ω differenziale per PCIe è comunemente indicato.

Verifichi il valore nel datasheet o nello standard della Sua interfaccia, poiché i valori differiscono tra versioni e progetti.

Non ne ha bisogno per segnali lenti, per GPIO tipici o per l'alimentazione. Richiederlo quando non ne ha bisogno aumenta il costo.

Cosa serve alla fabbrica

• Uno stack-up. Ordine degli strati, pesi del rame, tipo e spessore del dielettrico e spessore totale. Gli ingegneri della fabbrica possono suggerirne uno adatto ai loro materiali.
• Quali piste, su quali strati, con quale impedenza obiettivo. Per le coppie differenziali, indichi quali piste formano la coppia.
• La tolleranza che Lei accetta. Il dieci per cento è un valore abituale. Una tolleranza più stretta costa di più.
• Come viene verificato. Le fabbriche posizionano coupon di prova sul bordo del pannello e li misurano; la scheda stessa non viene misurata. Chieda se Lei riceve un rapporto.

La larghezza della pista e la spaziatura vengono poi regolate dall'ingegnere della fabbrica per raggiungere l'obiettivo sullo stack-up reale, motivo per cui Lei deve accettare che la larghezza disegnata possa cambiare di una piccola quantità.

Calcolo

Gli strumenti field solver nei software di progettazione e i calcolatori online gratuiti forniscono una buona prima stima. Il valore della fabbrica per Dk e spessore è quello che conta, poiché i valori nominali su un datasheet differiscono da una scheda pressata.

Consigli pratici

1. Chieda lo stack-up standard della fabbrica per il numero di strati e lo spessore prima del routing.
2. Instradi le piste a impedenza controllata solo sugli strati descritti dallo stack-up.
3. Mantenga i piani di riferimento ininterrotti sotto i segnali rapidi.
4. Non mescoli pesi del rame su uno strato senza informare la fabbrica.
5. Indichi ciò che è critico in una breve nota, non solo nel disegno.

Come si presenta quando Lei ordina qui

Se Lei ordina il controllo di impedenza senza uno stack-up, il controllo lo indica: "Il controllo di impedenza richiede uno stack-up" è uno dei suoi 25 controlli. Il controllo non può stabilire dai file che una pista necessita di impedenza controllata, né se il Suo stack-up è adatto al Suo progetto; indichi quali piste e quali obiettivi con l'ordine. I materiali e gli stack-up disponibili sono nella pagina delle capacità produttive e un ingegnere conferma i dettagli con l'ordine. Per i materiali, legga Materiali di base per PCB.