Grosimea cuprului, structura straturilor și impedanța

Trei lucruri stabilesc comportamentul electric și termic al unei plăci dincolo de dispunerea ei: cât de gros este cuprul, cum sunt aranjate straturile și cât de departe stă fiecare strat de vecinii lui. Articolul explică fiecare și când trebuie să-i spuneți fabricii despre ele.

Grosimea cuprului

Grosimea cuprului se dă ca greutate pe suprafață: uncii pe picior pătrat. O uncie de cupru răspândită pe un picior pătrat are circa 35 de micrometri (0,035 mm sau 1,4 mil) grosime. Două uncii au circa 70 µm.

1. Grosimea cuprului: același traseu la trei greutăți.
2. Laminatul izolant de sub cupru.
3. Gravarea taie lateral precum și în jos, deci cuprul gros lasă baze de traseu mai largi și are nevoie de spațieri mai largi.

Două lucruri sunt ușor de scăpat:

• Straturile externe câștigă cupru la placare. O placă comandată cu cupru extern „1 oz” este făcută de regulă din folie mai subțire, apoi placată cu cupru, pentru că găurile trebuie placate. Grosimea finită este menționată diferit de producători diferiți; întrebați dacă cifra este folia de pornire sau cuprul finit.
• Cuprul mai gros are nevoie de spațieri mai largi și de trasee mai largi. Gravarea merge lateral precum și în jos, deci cuprul greu are nevoie de mai mult spațiu ca să fie gravat curat. Cuprul greu schimbă și modul în care fabrica stabilește traseul și spațierea minime. Nu proiectați cupru de 3 oz cu spațierile pe care le-ați folosi pentru 0,5 oz.

Cât curent poate duce un traseu

Curentul pe care îl poate duce un traseu depinde de lățimea lui, de grosimea cuprului, de creșterea de temperatură pe care o acceptați și dacă este pe un strat extern (răcit de aer) sau pe un strat intern (nerăcit). Referința standard pentru acest lucru este IPC-2221, care dă curbe, iar însoțitorul ei mai nou IPC-2152 este considerat o sursă mai bună. Folosiți un calculator bazat pe ele, adăugați marjă și tratați rezultatele pentru straturile interne mai atent. Pentru un traseu care duce mai mult de câțiva amperi, luați în calcul un traseu mai larg, o turnare poligonală, grosime suplimentară de cupru sau cupru întărit cu lipitură, nu un traseu subțire împins la limită.

Structurile straturilor

O structură a straturilor este lista ordonată a straturilor și a ceea ce se află între ele: cupru, grosimea și tipul dielectricului, cupru și așa mai departe. Fiecare placă multistrat are una, iar fabrica decide structura reală, dacă nu o specificați dumneavoastră.

1. Două straturi: cupru, un miez, cupru.
2. Patru straturi: cupru extern, prepreg, cupru intern, un miez, cupru intern, prepreg, cupru extern.
3. Șase straturi: două miezuri și trei straturi de prepreg între șase straturi de cupru.
4. Prepreg: pânză de sticlă cu rășină parțial întărită, care se topește și lipește straturile când placa este presată.
5. Miez: un laminat rigid cu cupru pe ambele fețe.

Două straturi

Cupru pe ambele fețe, un miez între ele. Simplu și ieftin. Bun pentru proiectări digitale simple, cu viteză mică și multe proiectări analogice.

Patru straturi

Cel mai frecvent pas în sus. Un aranjament obișnuit:

1. Semnal (sus)
2. Plan de masă
3. Plan de alimentare (sau a doua masă)
4. Semnal (jos)

Planul solid de masă sub semnalele de sus dă o cale de retur pentru curent și ține suprafețele buclelor mici, ceea ce ajută atât zgomotul, cât și emisia. Straturile interne sunt cupru de 0,5 oz sau de 1 oz. O placă de 1,6 mm grosime totală este cazul obișnuit, cu dielectricul extern subțire (ca semnalele de sus să stea aproape de planul de masă) și cu un miez mai gros la mijloc.

Șase straturi

Un aranjament frecvent este semnal, masă, semnal, semnal, alimentare, semnal sau semnal, masă, semnal, alimentare, masă, semnal. Ideea este că fiecare strat de semnal are un plan lângă el, iar planurile sunt aproape unul de altul unde este posibil. Șase straturi permit semnale mai rapide, o dispunere mai densă și o separare mai bună între părțile zgomotoase și cele liniștite.

Simetria

Țineți structura straturilor simetrică față de centru atât în cantitatea de cupru, cât și în grosimea dielectricului. O placă dezechilibrată se îndoaie sau se răsucește când este încălzită la reflow, iar o placă îndoită este greu de asamblat. Dacă pe fața de sus cuprul este mai ales umplere de masă, iar fața de jos este goală, adăugați umplere ca să echilibrați.

Impedanța controlată

Un traseu de pe placă se comportă ca o linie de transmisie. Impedanța lui caracteristică, în ohmi, depinde de:

• lățimea traseului,
• distanța până la planul de referință (grosimea dielectricului),
• constanta dielectrică (Dk) a materialului,
• grosimea cuprului,
• pentru perechile diferențiale, spațierea dintre cele două trasee.

Desenul arată dimensiunile pe care le puteți vedea. Grosimea cuprului și constanta dielectrică a materialului contează și ele.

1. Lățimea traseului.
2. Înălțimea izolatorului dintre traseu și planul lui de referință.
3. Spațierea dintre cele două trasee ale unei perechi diferențiale.
4. Planul de referință: un strat solid de cupru sub trasee. Țineți-l neîntrerupt.

Când un semnal călătorește destul de repede, o nepotrivire între impedanța traseului și cea a driverului și a receptorului cauzează reflexii. Dacă aceasta este o problemă depinde de timpul de creștere și de lungimea traseului, nu numai de frecvența de ceas.

Când contează

Aveți nevoie de impedanță controlată pentru interfețele al căror standard o cere. Ținte tipice:

• 50 Ω single-ended pentru multe semnale radio și single-ended rapide,
• 90 Ω diferențial pentru USB,
• 100 Ω diferențial pentru Ethernet și pentru multe perechi LVDS, HDMI și de tip DDR,
• 85 Ω diferențial pentru PCIe este citat frecvent.

Verificați ținta în fișa tehnică sau în standardul pentru interfața dumneavoastră, fiindcă valorile diferă între versiuni și proiectări.

Nu aveți nevoie de ea pentru semnale lente, pentru GPIO tipic sau pentru alimentare. Cererea ei când nu aveți nevoie de ea adaugă cost.

Ce îi trebuie fabricii

• O structură a straturilor. Ordinea straturilor, grosimile cuprului, tipul și grosimea dielectricului și grosimea totală. Inginerii fabricii pot sugera una care se potrivește materialelor lor.
• Ce trasee, pe ce straturi, cu ce impedanță țintă. Pentru perechile diferențiale, spuneți ce trasee sunt perechea.
• Toleranța pe care o acceptați. Zece procente este o cifră obișnuită. Mai strânsă costă mai mult.
• Cum este verificată. Fabricile pun cupoane de testare pe marginea panoului și le măsoară; placa însăși nu este măsurată. Întrebați dacă primiți un raport.

Lățimea traseului și spațierea sunt apoi ajustate de inginerul fabricii ca să atingă ținta pe structura reală a straturilor, de aceea trebuie să acceptați că lățimea desenată de dumneavoastră se poate schimba cu o cantitate mică.

Calculul

Instrumentele de rezolvare de câmp din software-ul de proiectare și calculatoarele gratuite online dau o primă estimare bună. Cifra fabricii pentru Dk și grosime este cea care contează, fiindcă valorile nominale de pe o fișă tehnică diferă de o placă presată.

Sfaturi practice

1. Cereți structura standard a straturilor a fabricii pentru numărul de straturi și grosime înainte de rutare.
2. Rutați traseele cu impedanță controlată numai pe straturile pe care le descrie structura straturilor.
3. Țineți planurile de referință neîntrerupte sub semnalele rapide.
4. Nu amestecați grosimi de cupru pe un strat fără să-i spuneți fabricii.
5. Menționați ce este critic într-o notă scurtă, nu numai în desen.

Cum apare acest lucru când comandați aici

Dacă comandați controlul impedanței fără o structură a straturilor, verificarea spune acest lucru: „controlul impedanței necesită structura straturilor” este una dintre cele 25 de verificări ale ei. Verificarea nu poate spune din fișiere că un traseu are nevoie de impedanță controlată sau dacă structura straturilor dumneavoastră se potrivește proiectării; spuneți ce trasee și ce ținte odată cu comanda. Materialele și structurile straturilor disponibile sunt la pagina de capacități de fabricație, iar un inginer confirmă detaliile odată cu comanda. Pentru materiale, citiți Materiale de bază PCB.