Grubość miedzi, układy warstw i impedancja

Trzy rzeczy wyznaczają zachowanie elektryczne i cieplne płytki poza jej układem: grubość miedzi, ułożenie warstw oraz odległość każdej warstwy od sąsiadów. Artykuł wyjaśnia każdą z nich oraz to, kiedy Pan/Pani musi o nich powiedzieć fabryce.

Grubość miedzi

Grubość miedzi podaje się jako masę na powierzchnię: uncje na stopę kwadratową. Jedna uncja miedzi rozprowadzona na jednej stopie kwadratowej ma około 35 mikrometrów (0,035 mm, czyli 1,4 mil) grubości. Dwie uncje to około 70 µm.

1. Grubość miedzi: ta sama ścieżka przy trzech masach.
2. Laminat izolacyjny pod miedzią.
3. Trawienie wcina się w bok oraz w dół, więc gruba miedź zostawia szersze podstawy ścieżek i potrzebuje szerszych odstępów.

Dwie rzeczy łatwo przeoczyć:

• Warstwy zewnętrzne zyskują miedź przy pokrywaniu. Płytka zamówiona z miedzią zewnętrzną „1 oz” jest zwykle wykonana z cieńszej folii, a potem pokrywana miedzią, ponieważ otwory muszą zostać pokryte. Grubość końcowa jest podawana inaczej przez różnych producentów; proszę zapytać, czy liczba oznacza folię startową, czy miedź końcową.
• Grubsza miedź potrzebuje szerszych odstępów i szerszych ścieżek. Trawienie idzie w bok oraz w dół, więc gruba miedź potrzebuje więcej miejsca, aby trawić się czysto. Gruba miedź zmienia też sposób, w jaki fabryka ustala minimalną ścieżkę i odstęp. Proszę nie projektować miedzi 3 oz z odstępami, których Pan/Pani użył(a)by przy 0,5 oz.

Jaki prąd może przenieść ścieżka

Prąd, który ścieżka może przenieść, zależy od jej szerokości, grubości miedzi, wzrostu temperatury, który Pan/Pani akceptuje, oraz od tego, czy jest na warstwie zewnętrznej (chłodzonej powietrzem), czy wewnętrznej (niechłodzonej). Standardowym odniesieniem jest norma IPC-2221, która podaje krzywe, a jej nowszy towarzysz IPC-2152 jest uważany za lepsze źródło. Proszę używać kalkulatora opartego na nich, dodać margines i ostrożniej traktować wyniki dla warstw wewnętrznych. Przy ścieżce przenoszącej więcej niż kilka amperów proszę rozważyć szerszą ścieżkę, wylewkę wielokątną, dodatkową grubość miedzi albo miedź wzmocnioną lutem, a nie cienką ścieżkę pchaną do granicy.

Układy warstw

Układ warstw to uporządkowana lista warstw i tego, co leży między nimi: miedź, grubość i typ dielektryka, miedź i tak dalej. Każda płytka wielowarstwowa go ma, a fabryka decyduje o rzeczywistym, chyba że Pan/Pani go określi.

1. Dwie warstwy: miedź, jeden rdzeń, miedź.
2. Cztery warstwy: miedź zewnętrzna, prepreg, miedź wewnętrzna, rdzeń, miedź wewnętrzna, prepreg, miedź zewnętrzna.
3. Sześć warstw: dwa rdzenie i trzy warstwy prepregu między sześcioma warstwami miedzi.
4. Prepreg: tkanina szklana z częściowo utwardzoną żywicą, która topi się i wiąże warstwy, gdy płytka jest prasowana.
5. Rdzeń: sztywny laminat z miedzią po obu stronach.

Dwie warstwy

Miedź po obu stronach, jeden rdzeń między nimi. Proste i tanie. Dobre dla prostej elektroniki cyfrowej, niskich prędkości i wielu projektów analogowych.

Cztery warstwy

Najczęstszy krok w górę. Zwykłe ułożenie:

1. Sygnał (góra)
2. Płaszczyzna masy
3. Płaszczyzna zasilania (albo druga masa)
4. Sygnał (dół)

Stała płaszczyzna masy pod górnymi sygnałami daje drogę powrotną dla prądu i utrzymuje małe powierzchnie pętli, co pomaga zarówno przy szumie, jak i emisji. Warstwy wewnętrzne to miedź 0,5 oz albo 1 oz. Płytka o całkowitej grubości 1,6 mm jest zwykłym przypadkiem, z cienkim dielektrykiem zewnętrznym (aby górne sygnały leżały blisko płaszczyzny masy) i grubszym rdzeniem pośrodku.

Sześć warstw

Częste ułożenie to sygnał, masa, sygnał, sygnał, zasilanie, sygnał albo sygnał, masa, sygnał, zasilanie, masa, sygnał. Chodzi o to, aby każda warstwa sygnałowa miała obok siebie płaszczyznę, a płaszczyzny były blisko siebie tam, gdzie to możliwe. Sześć warstw pozwala na szybsze sygnały, gęstszy układ i lepsze oddzielenie części hałaśliwych od cichych.

Symetria

Proszę utrzymywać układ warstw symetryczny względem środka zarówno pod względem ilości miedzi, jak i grubości dielektryka. Niewyważona płytka wygina się albo skręca przy nagrzaniu w rozpływie, a wygięta płytka jest trudna do montażu. Jeśli miedź na górze to głównie wylewka masy, a dół jest pusty, proszę dodać wylewkę dla równowagi.

Kontrolowana impedancja

Ścieżka na płytce zachowuje się jak linia transmisyjna. Jej impedancja charakterystyczna, w omach, zależy od:

• szerokości ścieżki,
• odległości od płaszczyzny odniesienia (grubości dielektryka),
• stałej dielektrycznej (Dk) materiału,
• grubości miedzi,
• przy parach różnicowych, odstępu między dwiema ścieżkami.

Rysunek pokazuje wymiary, które Pan/Pani widzi. Liczą się też grubość miedzi i stała dielektryczna materiału.

1. Szerokość ścieżki.
2. Wysokość izolatora między ścieżką a jej płaszczyzną odniesienia.
3. Odstęp między dwiema ścieżkami pary różnicowej.
4. Płaszczyzna odniesienia: stała warstwa miedzi pod ścieżkami. Proszę trzymać ją nieprzerwaną.

Gdy sygnał podróżuje wystarczająco szybko, niedopasowanie impedancji ścieżki do impedancji sterownika i odbiornika powoduje odbicia. Czy jest to problem, zależy od czasu narastania i długości ścieżki, a nie tylko od częstotliwości zegara.

Kiedy to ma znaczenie

Kontrolowanej impedancji Pan/Pani potrzebuje przy interfejsach, których norma tego wymaga. Typowe cele:

• 50 Ω single-ended dla wielu sygnałów radiowych i szybkich single-ended,
• 90 Ω różnicowa dla USB,
• 100 Ω różnicowa dla Ethernet i dla wielu par LVDS, HDMI i typu DDR,
• 85 Ω różnicowa dla PCIe jest często cytowana.

Proszę sprawdzić cel w dokumentacji albo normie interfejsu, ponieważ wartości różnią się między wersjami i projektami.

Nie potrzebuje Pan/Pani jej przy wolnych sygnałach, przy typowym GPIO ani przy zasilaniu. Proszenie o nią, gdy nie jest potrzebna, dodaje koszt.

Czego potrzebuje fabryka

• Układu warstw. Kolejności warstw, grubości miedzi, typu i grubości dielektryka oraz całkowitej grubości. Inżynierowie fabryki mogą zaproponować układ, który pasuje do ich materiałów.
• Których ścieżek, na których warstwach, z jaką impedancją docelową. Przy parach różnicowych proszę powiedzieć, które ścieżki są parą.
• Tolerancji, którą Pan/Pani akceptuje. Dziesięć procent to zwykła liczba. Ciaśniejsza kosztuje więcej.
• Jak jest weryfikowana. Fabryki umieszczają kupony testowe na krawędzi panelu i je mierzą; sama płytka nie jest mierzona. Proszę zapytać, czy Pan/Pani otrzyma raport.

Szerokość ścieżki i odstęp są potem korygowane przez inżyniera fabryki, aby osiągnąć cel na rzeczywistym układzie warstw, dlatego Pan/Pani musi zaakceptować, że narysowana szerokość może zmienić się o małą liczbę.

Obliczanie

Narzędzia solwerów pól w oprogramowaniu projektowym i darmowe kalkulatory internetowe dają dobre pierwsze oszacowanie. Liczba fabryki dla Dk i grubości jest tą, która się liczy, ponieważ wartości nominalne z dokumentacji różnią się od płytki po sprasowaniu.

Porady praktyczne

1. Proszę poprosić o standardowy układ warstw fabryki dla liczby warstw i grubości przed prowadzeniem ścieżek.
2. Ścieżki z kontrolą impedancji proszę prowadzić tylko na warstwach, które opisuje układ warstw.
3. Płaszczyzny odniesienia proszę trzymać nieprzerwane pod szybkimi sygnałami.
4. Proszę nie mieszać grubości miedzi na jednej warstwie bez powiedzenia fabryce.
5. To, co jest krytyczne, proszę podać w krótkiej uwadze, a nie tylko na rysunku.

Jak to wygląda przy zamawianiu tutaj

Jeśli Pan/Pani zamówi kontrolę impedancji bez układu warstw, weryfikacja o tym mówi: „kontrola impedancji wymaga układu warstw” jest jednym z jej 25 sprawdzeń. Weryfikacja nie może stwierdzić z plików, że ścieżka potrzebuje kontrolowanej impedancji, ani czy układ warstw pasuje do projektu; proszę podać przy zamówieniu, które ścieżki i które cele. Materiały i układy warstw, które są dostępne, są na stronie możliwości produkcyjnych, a inżynier potwierdza szczegóły wraz z zamówieniem. O materiałach proszę przeczytać artykuł Materiały bazowe PCB.