Толщина меди, структуры слоёв и импеданс

Три вещи задают электрическое и тепловое поведение платы за пределами её компоновки: насколько толста медь, как расположены слои и насколько далеко каждый слой от соседей. Статья объясняет каждую и когда Вам нужно сказать заводу о них.

Толщина меди

Толщина меди даётся как вес на площадь: унции на квадратный фут. Одна унция меди, распределённая на один квадратный фут, толщиной около 35 микрометров (0,035 мм, или 1,4 mil). Две унции — около 70 мкм.

1. Толщина меди: та же дорожка при трёх весах.
2. Изолирующий ламинат под медью.
3. Травление режет вбок так же, как вниз, поэтому толстая медь оставляет более широкие основания дорожек и нуждается в более широких зазорах.

Две вещи легко пропустить:

• Внешние слои получают медь при покрытии. Плата, заказанная с «1 oz» внешней меди, обычно делается из более тонкой фольги, затем покрывается медью, потому что отверстия должны покрываться. Конечная толщина указывается разными производителями по-разному; спросите, является ли цифра стартовой фольгой или конечной медью.
• Более толстой меди нужны более широкие зазоры и более широкие дорожки. Травление идёт вбок так же, как вниз, поэтому тяжёлой меди нужно больше места, чтобы травиться чисто. Тяжёлая медь также меняет то, как завод устанавливает минимальную дорожку и зазор. Не проектируйте медь 3 oz с зазорами, которые Вы использовали бы для 0,5 oz.

Какой ток может нести дорожка

Ток, который дорожка может нести, зависит от её ширины, толщины меди, подъёма температуры, который Вы принимаете, и от того, на внешнем ли она слое (охлаждаемом воздухом) или на внутреннем слое (не охлаждаемом). Стандартная ссылка для этого — IPC-2221, которая даёт кривые, а её более новый спутник IPC-2152 считается лучшим источником. Используйте калькулятор на их основе, добавляйте запас и относитесь к результатам для внутренних слоёв более внимательно. Для дорожки, несущей больше нескольких ампер, рассмотрите более широкую дорожку, полигональную заливку, дополнительную толщину меди или медь, усиленную припоем, а не тонкую дорожку, доведённую до предела.

Структуры слоёв

Структура слоёв — упорядоченный список слоёв и того, что лежит между ними: медь, толщина и тип диэлектрика, медь и так далее. У каждой многослойной платы она есть, и завод решает фактическую, если Вы её не укажете.

1. Два слоя: медь, одно ядро, медь.
2. Четыре слоя: внешняя медь, препрег, внутренняя медь, ядро, внутренняя медь, препрег, внешняя медь.
3. Шесть слоёв: два ядра и три слоя препрега между шестью слоями меди.
4. Препрег: стеклоткань с частично отверждённой смолой, которая плавится и связывает слои, когда плата прессуется.
5. Ядро: жёсткий ламинат с медью на обеих сторонах.

Два слоя

Медь на обеих сторонах, одно ядро между ними. Просто и дёшево. Хорошо для простой цифровой, низкоскоростной и многих аналоговых проектов.

Четыре слоя

Самый обычный шаг вверх. Обычное расположение:

1. Сигнал (верх)
2. Плоскость земли
3. Плоскость питания (или вторая земля)
4. Сигнал (низ)

Твёрдая плоскость земли под верхними сигналами даёт обратный путь для тока и держит площади петель маленькими, что помогает и шуму, и излучению. Внутренние слои — медь 0,5 oz или 1 oz. Плата общей толщиной 1,6 мм — обычный случай, с тонким внешним диэлектриком (чтобы верхние сигналы сидели близко к плоскости земли) и более толстым ядром посередине.

Шесть слоёв

Обычное расположение — сигнал, земля, сигнал, сигнал, питание, сигнал или сигнал, земля, сигнал, питание, земля, сигнал. Идея в том, что у каждого сигнального слоя есть плоскость рядом с ним, а плоскости близки друг к другу, где возможно. Шесть слоёв позволяют более быстрые сигналы, более плотную компоновку и лучшее разделение между шумными и тихими частями.

Симметрия

Держите структуру слоёв симметричной относительно центра как по количеству меди, так и по толщине диэлектрика. Несбалансированная плата изгибается или скручивается при нагреве в оплавлении, а изогнутая плата трудно монтируется. Если медь наверху в основном заливка земли, а низ пуст, добавьте заливку для баланса.

Контролируемый импеданс

Дорожка на плате ведёт себя как линия передачи. Её характеристический импеданс, в омах, зависит от:

• ширины дорожки,
• расстояния до опорной плоскости (толщины диэлектрика),
• диэлектрической постоянной (Dk) материала,
• толщины меди,
• для дифференциальных пар, зазора между двумя дорожками.

Рисунок показывает размеры, которые Вы можете видеть. Толщина меди и диэлектрическая постоянная материала также считаются.

1. Ширина дорожки.
2. Высота изолятора между дорожкой и её опорной плоскостью.
3. Зазор между двумя дорожками дифференциальной пары.
4. Опорная плоскость: твёрдый слой меди под дорожками. Держите его непрерывным.

Когда сигнал идёт достаточно быстро, несоответствие между импедансом дорожки и импедансом драйвера и приёмника вызывает отражения. Является ли это проблемой, зависит от времени нарастания и длины дорожки, а не только от тактовой частоты.

Когда это важно

Вам нужен контролируемый импеданс для интерфейсов, чей стандарт его требует. Типичные цели:

• 50 Ω single-ended для многих радио- и быстрых single-ended сигналов,
• 90 Ω дифференциальный для USB,
• 100 Ω дифференциальный для Ethernet и для многих пар LVDS, HDMI и типа DDR,
• 85 Ω дифференциальный для PCIe часто цитируется.

Проверьте цель в документации или стандарте для Вашего интерфейса, так как значения различаются между версиями и проектами.

Вам он не нужен для медленных сигналов, для типичного GPIO или для питания. Запрос его, когда он Вам не нужен, добавляет стоимость.

Что нужно заводу

• Структура слоёв. Порядок слоёв, толщины меди, тип и толщина диэлектрика и общая толщина. Инженеры завода могут предложить ту, которая подходит их материалам.
• Какие дорожки, на каких слоях, с каким целевым импедансом. Для дифференциальных пар скажите, какие дорожки — пара.
• Допуск, который Вы принимаете. Десять процентов — обычная цифра. Более плотный стоит дороже.
• Как он проверяется. Заводы ставят тестовые купоны на край панели и измеряют их; сама плата не измеряется. Спросите, получите ли Вы отчёт.

Ширина дорожки и зазор затем корректируются инженером завода, чтобы достичь цели на реальной структуре слоёв, поэтому Вы должны принять, что Ваша нарисованная ширина может измениться на малую величину.

Расчёт

Инструменты полевых решателей в программном обеспечении проектирования и бесплатные онлайн-калькуляторы дают хорошее первое приближение. Цифра завода для Dk и толщины — та, которая считается, так как номинальные значения на документации отличаются от прессованной платы.

Практические советы

1. Спросите стандартную структуру слоёв завода для числа слоёв и толщины до трассировки.
2. Трассируйте дорожки с контролем импеданса только на слоях, которые описывает структура слоёв.
3. Держите опорные плоскости непрерывными под быстрыми сигналами.
4. Не смешивайте толщины меди на одном слое, не сказав заводу.
5. Укажите, что критично, в коротком примечании, а не только на чертеже.

Как это выглядит при заказе здесь

Если Вы закажете контроль импеданса без структуры слоёв, проверка так и скажет: «для контроля импеданса нужна структура слоёв» — одна из её 25 проверок. Проверка не может сказать по файлам, что дорожке нужен контролируемый импеданс или подходит ли Ваша структура слоёв Вашему проекту; скажите, какие дорожки и какие цели, с заказом. Материалы и доступные структуры слоёв находятся на странице производственных возможностей, а инженер подтверждает детали с заказом. О материалах читайте статью Базовые материалы PCB.