ความหนาทองแดง การเรียงชั้น และอิมพีแดนซ์

สามสิ่งที่กำหนดพฤติกรรมทางไฟฟ้าและความร้อนของบอร์ดนอกเหนือจากเลย์เอาต์ ได้แก่ ทองแดงหนาเท่าใด ชั้นต่าง ๆ เรียงกันอย่างไร และแต่ละชั้นอยู่ห่างจากชั้นข้างเคียงเท่าใด บทความนี้อธิบายแต่ละเรื่อง และเมื่อใดที่คุณจำเป็นต้องแจ้งโรงงานเกี่ยวกับเรื่องเหล่านั้นครับ

ความหนาทองแดง

ความหนาทองแดงระบุเป็นน้ำหนักต่อพื้นที่ ได้แก่ ออนซ์ต่อตารางฟุต ทองแดงหนึ่งออนซ์ที่แผ่บนพื้นที่หนึ่งตารางฟุตหนาประมาณ 35 ไมโครเมตร (0,035 มม. หรือ 1,4 มิล) สองออนซ์หนาประมาณ 70 µm ครับ

1. ความหนาทองแดง: ลายวงจรเดียวกันที่ความหนาสามระดับ
2. ลามิเนตฉนวน ใต้ทองแดง
3. การกัดเซาะตัดไปด้านข้าง และตัดลงเช่นกัน ดังนั้นทองแดงหนาจึงเหลือฐานลายวงจรที่กว้างกว่าและต้องการช่องว่างที่กว้างกว่าครับ

มีสองเรื่องที่พลาดได้ง่าย:

• ชั้นนอกได้รับทองแดงเพิ่มในการชุบ บอร์ดที่สั่งด้วยทองแดงชั้นนอก "1 oz" มักทำจากฟอยล์ที่บางกว่า แล้วชุบทองแดงเพิ่ม เพราะรูต้องได้รับการชุบ ผู้ผลิตแต่ละรายระบุความหนาสำเร็จรูปต่างกัน โปรดสอบถามว่าตัวเลขดังกล่าวเป็นฟอยล์เริ่มต้นหรือทองแดงสำเร็จรูปครับ
• ทองแดงที่หนากว่าต้องการช่องว่างที่กว้างกว่าและลายวงจรที่กว้างกว่า การกัดเซาะไปด้านข้างและลงเช่นกัน ดังนั้นทองแดงหนักจึงต้องการพื้นที่มากขึ้นเพื่อให้กัดได้สะอาด ทองแดงหนักยังเปลี่ยนวิธีที่โรงงานกำหนดลายวงจรและช่องว่างขั้นต่ำด้วย อย่าออกแบบทองแดง 3 oz ด้วยช่องว่างที่คุณใช้กับ 0,5 oz ครับ

ลายวงจรนำกระแสได้เท่าใด

กระแสที่ลายวงจรนำได้ขึ้นอยู่กับความกว้างของลายวงจร ความหนาทองแดง อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่คุณยอมรับได้ และลายวงจรอยู่บนชั้นนอก (ระบายความร้อนด้วยอากาศ) หรือชั้นใน (ไม่ระบาย) เอกสารอ้างอิงมาตรฐานสำหรับเรื่องนี้คือ IPC-2221 ซึ่งให้เส้นโค้ง และเอกสารคู่ที่ใหม่กว่าคือ IPC-2152 ซึ่งถือเป็นแหล่งข้อมูลที่ดีกว่า โปรดใช้เครื่องคำนวณที่ใช้เอกสารเหล่านี้ เพิ่มระยะเผื่อ และปฏิบัติต่อผลลัพธ์สำหรับชั้นในอย่างระมัดระวังมากขึ้น สำหรับลายวงจรที่นำกระแสมากกว่าสองสามแอมแปร์ โปรดพิจารณาลายวงจรที่กว้างกว่า การเทโพลิกอน ความหนาทองแดงเพิ่มเติม หรือทองแดงเสริมด้วยบัดกรี แทนลายวงจรบางที่ถูกดันจนถึงขีดจำกัดครับ

การเรียงชั้น

การเรียงชั้นคือรายการชั้นตามลำดับและสิ่งที่อยู่ระหว่างชั้น ได้แก่ ทองแดง ความหนาและชนิดของไดอิเล็กทริก ทองแดง และอื่น ๆ บอร์ดหลายชั้นทุกบอร์ดมีการเรียงชั้น และโรงงานเป็นผู้ตัดสินการเรียงชั้นจริง เว้นแต่คุณจะระบุเองครับ

1. สองชั้น: ทองแดง แกนหนึ่งชั้น ทองแดง
2. สี่ชั้น: ทองแดงนอก พรีเพรก ทองแดงใน แกนหนึ่งชั้น ทองแดงใน พรีเพรก ทองแดงนอก
3. หกชั้น: แกนสองชั้นและพรีเพรกสามชั้นระหว่างชั้นทองแดงหกชั้น
4. พรีเพรก: ผ้าแก้วกับเรซินที่บ่มบางส่วน ซึ่งหลอมละลายและยึดชั้นต่าง ๆ เมื่อบอร์ดถูกกด
5. แกน: ลามิเนตแข็งที่มีทองแดงทั้งสองด้าน

สองชั้น

ทองแดงทั้งสองด้าน มีแกนหนึ่งชั้นอยู่ระหว่างกลาง เรียบง่ายและราคาถูก เหมาะกับงานดิจิทัลเรียบง่าย ความเร็วต่ำ และงานอนาล็อกหลายแบบครับ

สี่ชั้น

ขั้นที่เพิ่มขึ้นที่พบมากที่สุด การเรียงแบบปกติ:

1. สัญญาณ (ด้านบน)
2. ระนาบกราวด์
3. ระนาบกำลัง (หรือกราวด์ที่สอง)
4. สัญญาณ (ด้านล่าง)

ระนาบกราวด์ทึบใต้สัญญาณด้านบนให้เส้นทางกลับสำหรับกระแสและทำให้พื้นที่ลูปเล็ก ซึ่งช่วยทั้งเรื่องสัญญาณรบกวนและการแพร่กระจาย ชั้นในเป็นทองแดง 0,5 oz หรือ 1 oz บอร์ดที่มีความหนารวม 1,6 มม. เป็นกรณีปกติ โดยมีไดอิเล็กทริกชั้นนอกบาง (เพื่อให้สัญญาณด้านบนอยู่ใกล้ระนาบกราวด์) และแกนที่หนากว่าอยู่ตรงกลางครับ

หกชั้น

การเรียงแบบทั่วไปคือ สัญญาณ กราวด์ สัญญาณ สัญญาณ กำลัง สัญญาณ หรือ สัญญาณ กราวด์ สัญญาณ กำลัง กราวด์ สัญญาณ แนวคิดคือแต่ละชั้นสัญญาณมีระนาบอยู่ข้าง ๆ และระนาบต่าง ๆ อยู่ใกล้กันเท่าที่เป็นไปได้ หกชั้นช่วยให้สัญญาณเร็วขึ้น เลย์เอาต์หนาแน่นขึ้น และแยกส่วนที่มีสัญญาณรบกวนออกจากส่วนที่เงียบได้ดีขึ้นครับ

ความสมมาตร

โปรดรักษาการเรียงชั้นให้สมมาตรเกี่ยวกับจุดศูนย์กลางทั้งด้านปริมาณทองแดงและความหนาไดอิเล็กทริก บอร์ดที่ไม่สมดุลจะโก่งหรือบิดเมื่อได้รับความร้อนในการรีโฟลว์ และบอร์ดที่โก่งจะประกอบยาก หากทองแดงด้านบนส่วนใหญ่เป็นการเติมกราวด์และด้านล่างว่างเปล่า โปรดเพิ่มการเติมเพื่อความสมดุลครับ

การควบคุมอิมพีแดนซ์

ลายวงจรบนบอร์ดทำหน้าที่เป็นสายส่ง อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของลายวงจร ในหน่วยโอห์ม ขึ้นอยู่กับ:

• ความกว้างลายวงจร
• ระยะห่างถึงระนาบอ้างอิง (ความหนาไดอิเล็กทริก)
• ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (Dk) ของวัสดุ
• ความหนาทองแดง
• สำหรับคู่ดิฟเฟอเรนเชียล ช่องว่างระหว่างลายวงจรทั้งสอง

ภาพวาดแสดงขนาดที่คุณมองเห็นได้ ความหนาทองแดงและค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุก็มีผลเช่นกันครับ

1. ความกว้างลายวงจร
2. ความสูงของฉนวน ระหว่างลายวงจรกับระนาบอ้างอิง
3. ช่องว่างระหว่างลายวงจรทั้งสอง ของคู่ดิฟเฟอเรนเชียล
4. ระนาบอ้างอิง: ชั้นทองแดงทึบใต้ลายวงจร โปรดรักษาให้ไม่ขาดตอนครับ

เมื่อสัญญาณเดินทางเร็วพอ ความไม่สอดคล้องกันระหว่างอิมพีแดนซ์ของลายวงจรกับอิมพีแดนซ์ของตัวขับและตัวรับจะทำให้เกิดการสะท้อน ปัญหานี้จะเป็นปัญหาหรือไม่ขึ้นอยู่กับเวลาเพิ่มขึ้นและความยาวลายวงจร ไม่ได้ขึ้นอยู่กับความถี่นาฬิกาเพียงอย่างเดียวครับ

เมื่อใดที่สำคัญ

คุณต้องการการควบคุมอิมพีแดนซ์สำหรับอินเทอร์เฟซที่มาตรฐานกำหนดไว้ เป้าหมายทั่วไป:

• 50 Ω แบบปลายเดี่ยวสำหรับสัญญาณวิทยุและสัญญาณปลายเดี่ยวความเร็วสูงจำนวนมาก
• 90 Ω แบบดิฟเฟอเรนเชียลสำหรับ USB
• 100 Ω แบบดิฟเฟอเรนเชียลสำหรับ Ethernet และสำหรับคู่ LVDS, HDMI และชนิด DDR จำนวนมาก
• 85 Ω แบบดิฟเฟอเรนเชียลสำหรับ PCIe เป็นค่าที่มักอ้างถึง

โปรดตรวจสอบเป้าหมายในเอกสารข้อมูลหรือมาตรฐานสำหรับอินเทอร์เฟซของคุณ เนื่องจากค่าต่างกันระหว่างเวอร์ชันและการออกแบบครับ

คุณไม่ต้องการการควบคุมอิมพีแดนซ์สำหรับสัญญาณช้า สำหรับ GPIO ทั่วไป หรือสำหรับกำลัง การขอในสิ่งที่ไม่ต้องการจะเพิ่มต้นทุนครับ

สิ่งที่โรงงานต้องการ

• การเรียงชั้น ลำดับชั้น ความหนาทองแดง ชนิดและความหนาไดอิเล็กทริก และความหนารวม วิศวกรของโรงงานอาจแนะนำการเรียงชั้นที่เหมาะกับวัสดุของโรงงาน
• ลายวงจรใด บนชั้นใด ด้วยอิมพีแดนซ์เป้าหมายเท่าใด สำหรับคู่ดิฟเฟอเรนเชียล โปรดระบุว่าลายวงจรใดเป็นคู่กัน
• ค่าความคลาดเคลื่อนที่คุณยอมรับได้ สิบเปอร์เซ็นต์เป็นตัวเลขปกติ ค่าที่เข้มงวดกว่าจะมีต้นทุนสูงกว่า
• วิธีตรวจสอบ โรงงานวางคูปองทดสอบที่ขอบพาเนลและวัดคูปองเหล่านั้น บอร์ดเองไม่ได้ถูกวัด โปรดสอบถามว่าคุณจะได้รับรายงานหรือไม่ครับ

จากนั้นวิศวกรของโรงงานจะปรับความกว้างลายวงจรและช่องว่างเพื่อให้ถึงเป้าหมายบนการเรียงชั้นจริง ซึ่งเป็นเหตุผลที่คุณต้องยอมรับว่าความกว้างที่คุณวาดไว้อาจเปลี่ยนไปเล็กน้อยครับ

การคำนวณ

เครื่องมือแก้สนามในซอฟต์แวร์ออกแบบและเครื่องคำนวณออนไลน์ฟรีให้ค่าประมาณแรกที่ดี ตัวเลขของโรงงานเองสำหรับ Dk และความหนาเป็นตัวเลขที่ใช้ได้จริง เนื่องจากค่าที่ระบุในเอกสารข้อมูลต่างจากบอร์ดที่กดแล้วครับ

คำแนะนำในทางปฏิบัติ

1. โปรดขอการเรียงชั้นมาตรฐานของโรงงานสำหรับจำนวนชั้นและความหนานั้นก่อนทำการเดินลาย
2. เดินลายวงจรที่ควบคุมอิมพีแดนซ์เฉพาะบนชั้นที่การเรียงชั้นอธิบายไว้เท่านั้น
3. รักษาระนาบอ้างอิงให้ไม่ขาดตอนใต้สัญญาณเร็ว
4. อย่าผสมความหนาทองแดงบนชั้นเดียวกันโดยไม่แจ้งโรงงาน
5. ระบุสิ่งที่สำคัญในบันทึกสั้น ๆ ไม่ใช่เฉพาะในแบบวาดเท่านั้นครับ

เรื่องนี้ปรากฏอย่างไรเมื่อคุณสั่งซื้อที่นี่

หากคุณสั่งการควบคุมอิมพีแดนซ์โดยไม่มีการเรียงชั้น การตรวจสอบไฟล์จะแจ้งว่า: "การควบคุมอิมพีแดนซ์ต้องใช้การเรียงชั้น" เป็นหนึ่งใน 25 การตรวจสอบ การตรวจสอบไฟล์ไม่สามารถบอกได้จากไฟล์ว่าลายวงจรต้องการการควบคุมอิมพีแดนซ์ หรือการเรียงชั้นของคุณเหมาะกับการออกแบบของคุณหรือไม่ โปรดระบุลายวงจรใดและเป้าหมายใดพร้อมกับคำสั่งซื้อ วัสดุและการเรียงชั้นที่มีอยู่ดูได้ที่ หน้าความสามารถในการผลิต และวิศวกรจะยืนยันรายละเอียดพร้อมกับคำสั่งซื้อ สำหรับวัสดุ โปรดอ่าน วัสดุพื้นฐาน PCB ครับ