Koperdikte, laagopbouw en impedantie

Drie dingen bepalen het elektrische en thermische gedrag van een printplaat (PCB) voorbij de lay-out: hoe dik het koper is, hoe de lagen zijn gerangschikt en hoe ver elke laag van de buren ligt. Dit artikel legt elk punt uit en wanneer u de fabriek hierover moet informeren.

Koperdikte

De koperdikte wordt gegeven als gewicht per oppervlakte: ounces per vierkante voet. Een ounce koper, uitgespreid over een vierkante voet, is ongeveer 35 micrometer (0,035 mm of 1,4 mil) dik. Twee ounces is ongeveer 70 µm.

1. Koperdikte: hetzelfde spoor bij drie dikten.
2. Het isolerende laminaat onder het koper.
3. Het etsen snijdt zijdelings net als omlaag, zodat dik koper bredere spoorvoeten achterlaat en bredere afstanden nodig heeft.

Twee dingen worden gemakkelijk over het hoofd gezien:

• Buitenlagen krijgen koper erbij bij het plateren. Een print die met „1 oz“ buitenkoper is besteld, wordt meestal van dunnere folie gemaakt en daarna met koper opgebouwd, omdat de gaten geplateerd moeten worden. De afgewerkte dikte wordt door verschillende makers anders vermeld; vraag of het cijfer de startfolie of het afgewerkte koper is.
• Dikker koper heeft bredere afstanden en bredere sporen nodig. Het etsen gaat zijdelings net als omlaag, zodat zwaar koper meer ruimte nodig heeft om schoon geëtst te worden. Zwaar koper verandert ook hoe de fabriek de minimale spoorbreedte en afstand instelt. Ontwerp 3-oz-koper niet met de afstanden die u voor 0,5 oz zou gebruiken.

Hoeveel stroom een spoor kan dragen

De stroom die een spoor kan dragen hangt af van de breedte, de koperdikte, de temperatuurstijging die u accepteert en of het op een buitenlaag (gekoeld door lucht) of een binnenlaag (niet) ligt. De normreferentie hiervoor is IPC-2221, die krommen geeft, en de nieuwere metgezel IPC-2152 geldt als betere bron. Gebruik een hierop gebaseerde rekenmachine, voeg marge toe en behandel resultaten voor binnenlagen voorzichtiger. Overweeg voor een spoor dat meer dan enkele ampères draagt een breder spoor, een polygoonvulling, meer koperdikte of met soldeer versterkt koper, geen dun spoor dat tot de grens wordt geduwd.

Laagopbouw

Een laagopbouw is de geordende lijst van lagen en wat ertussen ligt: koper, dikte en type diëlektricum, koper, enzovoort. Elke meerlaags print heeft er een en de fabriek beslist over de werkelijke, tenzij u deze opgeeft.

1. Twee lagen: koper, een kern, koper.
2. Vier lagen: buitenkoper, prepreg, binnenkoper, een kern, binnenkoper, prepreg, buitenkoper.
3. Zes lagen: twee kernen en drie lagen prepreg tussen zes koperlagen.
4. Prepreg: glasweefsel met deels uitgehard hars, dat smelt en de lagen verbindt als de print wordt geperst.
5. Kern: een stijf laminaat met koper aan beide zijden.

Twee lagen

Koper aan beide zijden, een kern ertussen. Eenvoudig en goedkoop. Goed voor eenvoudige digitale, langzame en veel analoge ontwerpen.

Vier lagen

De meest voorkomende stap omhoog. Een gebruikelijke rangschikking:

1. Signaal (boven)
2. Massavlak
3. Voedingsvlak (of tweede massa)
4. Signaal (onder)

Het massieve massavlak onder de bovenste signalen geeft een retourpad voor de stroom en houdt de lusoppervlakken klein, wat zowel ruis als emissie helpt. De binnenlagen zijn 0,5 oz of 1 oz koper. Een print van 1,6 mm totale dikte is het gebruikelijke geval, met dun buitenste diëlektricum (zodat de bovenste signalen dicht bij het massavlak zitten) en een dikkere kern in het midden.

Zes lagen

Een gangbare rangschikking is signaal, massa, signaal, signaal, voeding, signaal, of signaal, massa, signaal, voeding, massa, signaal. Het idee is dat elke signaallaag een vlak ernaast heeft en de vlakken waar mogelijk dicht bij elkaar liggen. Zes lagen staan snellere signalen, een dichtere lay-out en betere scheiding tussen luide en stille delen toe.

Symmetrie

Houd de laagopbouw symmetrisch om het midden, zowel in kophoeveelheid als in diëlektrische dikte. Een ongebalanceerde print kromt of verdraait bij verhitting in reflow en een kromme print is moeilijk te assembleren. Als het koper bovenop vooral massavulling is en de onderkant leeg is, voeg dan vulling toe om te balanceren.

Impedantiecontrole

Een spoor op een print gedraagt zich als een transmissielijn. De karakteristieke impedantie, in ohm, hangt af van:

• de spoorbreedte,
• de afstand tot het referentievlak (de dikte van het diëlektricum),
• de diëlektrische constante (Dk) van het materiaal,
• de koperdikte,
• bij differentiële paren van de opening tussen de twee sporen.

De tekening toont de afmetingen die u kunt zien. Koperdikte en de diëlektrische constante van het materiaal tellen ook.

1. Spoorbreedte.
2. Hoogte van de isolator tussen het spoor en het referentievlak.
3. Opening tussen de twee sporen van een differentieel paar.
4. Het referentievlak: een massieve koperlaag onder de sporen. Houd deze ononderbroken.

Als een signaal snel genoeg reist, veroorzaakt een mismatch tussen de impedantie van het spoor en die van driver en ontvanger reflecties. Of dit een probleem is, hangt af van stijgtijd en spoorlengte, niet alleen van de klokfrequentie.

Wanneer het ertoe doet

U heeft impedantiecontrole nodig voor interfaces waarvan de norm deze eist. Typische doelen:

• 50 Ω enkelvoudig voor veel radio- en snelle enkelvoudige signalen,
• 90 Ω differentieel voor USB,
• 100 Ω differentieel voor Ethernet en voor veel LVDS-, HDMI- en DDR-achtige paren,
• 85 Ω differentieel voor PCIe wordt vaak genoemd.

Controleer het doel in het datablad of de norm voor uw interface, omdat waarden tussen versies en ontwerpen verschillen.

U heeft deze niet nodig voor langzame signalen, voor typische GPIO of voor voeding. Ernaar vragen als u deze niet nodig heeft, verhoogt de kosten.

Wat de fabriek nodig heeft

• Een laagopbouw. Volgorde van lagen, koperdikten, type en dikte van diëlektricum en totale dikte. De ingenieurs van de fabriek kunnen er een voorstellen die bij hun materialen past.
• Welke sporen op welke lagen met welke doelimpedantie. Zeg bij differentiële paren welke sporen het paar vormen.
• De tolerantie die u accepteert. Tien procent is een gebruikelijk cijfer. Strakker kost meer.
• Hoe deze wordt geverifieerd. Fabrieken plaatsen testcoupons aan de rand van het paneel en meten deze; de print zelf wordt niet gemeten. Vraag of u een rapport ontvangt.

Spoorbreedte en opening worden daarna door de ingenieur van de fabriek aangepast om het doel op de echte laagopbouw te bereiken, daarom moet u accepteren dat uw getekende breedte met een klein bedrag kan veranderen.

Berekening

Veldsolver-hulpmiddelen in ontwerpsoftware en gratis online rekenmachines geven een goede eerste schatting. Het cijfer van de fabriek voor Dk en dikte is het cijfer dat telt, omdat de nominale waarden op een datablad verschillen van een geperste print.

Praktisch advies

1. Vraag om de standaard laagopbouw van de fabriek voor het aantal lagen en de dikte voordat u routeert.
2. Routeer impedantiegecontroleerde sporen alleen op lagen die de laagopbouw beschrijft.
3. Houd referentievlakken ononderbroken onder snelle signalen.
4. Meng geen koperdikten op een laag zonder het de fabriek te vertellen.
5. Vermeld wat kritisch is in een korte notitie, niet alleen in de tekening.

Hoe dit eruitziet als u hier bestelt

Als u impedantiecontrole bestelt zonder laagopbouw, zegt de controle dat: „impedantiecontrole heeft een laagopbouw nodig“ is een van de 25 controles. De controle kan uit de bestanden niet zien dat een spoor gecontroleerde impedantie nodig heeft, of dat uw laagopbouw bij uw ontwerp past; zeg bij de bestelling welke sporen en welke doelen gelden. De materialen en de beschikbare laagopbouwen staan op de pagina met productiemogelijkheden en een ingenieur bevestigt de details bij de bestelling. Lees voor materialen Basismaterialen voor printplaten.