Ba yếu tố quyết định đặc tính điện và nhiệt của bo mạch ngoài bố cục mạch: lớp đồng dày bao nhiêu, các lớp được sắp xếp thế nào và mỗi lớp cách lớp kề bên bao xa. Bài viết này giải thích từng yếu tố và khi nào cần thông báo cho nhà máy về các yếu tố đó.
Độ dày lớp đồng
Độ dày lớp đồng được cho theo khối lượng trên diện tích: ounce trên mỗi foot vuông. Một ounce đồng trải trên một foot vuông dày khoảng 35 micromet (0,035 mm, hoặc 1,4 mil). Hai ounce dày khoảng 70 µm.
| Khối lượng | Độ dày gần đúng | Cách dùng thường gặp |
|---|---|---|
| 0.5 oz | 17.5 µm | Lớp trong, đường mạch mảnh |
| 1 oz | 35 µm | Lựa chọn thường dùng cho lớp ngoài |
| 2 oz | 70 µm | Bo mạch nguồn, dòng điện cao hơn |
| 3 oz trở lên | 105 µm trở lên | Đồng nặng: nguồn điện, thanh dẫn |
- Độ dày lớp đồng: cùng một đường mạch ở ba mức độ dày.
- Tấm laminate cách điện bên dưới lớp đồng.
- Quá trình ăn mòn cắt ngang cũng như cắt xuống, vì vậy đồng dày để lại chân đường mạch rộng hơn và cần khoảng cách rộng hơn.
Có hai điều dễ bỏ sót:
- Lớp ngoài tăng thêm đồng trong quá trình mạ. Bo mạch đặt với lớp đồng ngoài "1 oz" thường được làm từ lá đồng mỏng hơn, sau đó được mạ thêm đồng, vì các lỗ phải được mạ. Các nhà sản xuất khác nhau ghi độ dày hoàn thiện theo cách khác nhau; cần hỏi con số đó là lá đồng ban đầu hay lớp đồng hoàn thiện.
- Đồng dày hơn cần khoảng cách rộng hơn và đường mạch rộng hơn. Quá trình ăn mòn đi ngang cũng như đi xuống, vì vậy đồng nặng cần nhiều không gian hơn để ăn mòn sạch. Đồng nặng cũng thay đổi cách nhà máy đặt độ rộng đường mạch và khoảng cách tối thiểu. Không nên thiết kế đồng 3 oz với khoảng cách vẫn dùng cho 0,5 oz.
Đường mạch mang được dòng điện bao nhiêu
Dòng điện mà đường mạch mang được phụ thuộc vào độ rộng của đường mạch, độ dày lớp đồng, mức tăng nhiệt độ chấp nhận được, và đường mạch nằm ở lớp ngoài (được không khí làm mát) hay lớp trong (không được làm mát). Tài liệu tham chiếu tiêu chuẩn cho nội dung này là IPC-2221, với các đường cong, và tài liệu đi kèm mới hơn là IPC-2152 được coi là nguồn tốt hơn. Cần dùng công cụ tính dựa trên các tài liệu đó, cộng thêm biên an toàn, và xử lý kết quả cho lớp trong thận trọng hơn. Đối với đường mạch mang hơn vài ampe, cần cân nhắc đường mạch rộng hơn, vùng đổ polygon, độ dày lớp đồng lớn hơn, hoặc đồng được gia cố bằng hàn, thay vì một đường mạch mỏng bị đẩy đến giới hạn.
Cấu trúc lớp
Cấu trúc lớp là danh sách có thứ tự các lớp và những gì nằm giữa các lớp: đồng, độ dày và loại chất điện môi, đồng, và cứ thế tiếp tục. Mọi bo mạch nhiều lớp đều có một cấu trúc lớp, và nhà máy quyết định cấu trúc lớp thực tế trừ khi có chỉ định riêng.
- Hai lớp: đồng, một lõi, đồng.
- Bốn lớp: đồng ngoài, prepreg, đồng trong, một lõi, đồng trong, prepreg, đồng ngoài.
- Sáu lớp: hai lõi và ba lớp prepreg ở giữa sáu lớp đồng.
- Prepreg: vải thủy tinh với nhựa đã đóng rắn một phần, nóng chảy và liên kết các lớp khi bo mạch được ép.
- Lõi: tấm laminate cứng với đồng ở cả hai mặt.
Hai lớp
Đồng ở cả hai mặt, một lõi ở giữa. Đơn giản và rẻ. Phù hợp với các thiết kế số đơn giản, tốc độ thấp và nhiều thiết kế tương tự.
Bốn lớp
Bước nâng cấp phổ biến nhất. Cách sắp xếp thường gặp:
- Tín hiệu (trên)
- Mặt phẳng mass
- Mặt phẳng nguồn (hoặc mass thứ hai)
- Tín hiệu (dưới)
Mặt phẳng mass liên tục bên dưới các tín hiệu ở lớp trên tạo đường hồi cho dòng điện và giữ diện tích vòng nhỏ, giúp ích cho cả nhiễu và phát xạ. Các lớp trong là đồng 0,5 oz hoặc 1 oz. Bo mạch có tổng độ dày 1,6 mm là trường hợp thường gặp, với lớp điện môi ngoài mỏng (để các tín hiệu ở lớp trên nằm gần mặt phẳng mass) và lõi dày hơn ở giữa.
Sáu lớp
Cách sắp xếp phổ biến là tín hiệu, mass, tín hiệu, tín hiệu, nguồn, tín hiệu, hoặc tín hiệu, mass, tín hiệu, nguồn, mass, tín hiệu. Ý tưởng là mỗi lớp tín hiệu có một mặt phẳng kề bên, và các mặt phẳng ở gần nhau khi có thể. Sáu lớp cho phép tín hiệu nhanh hơn, bố cục dày đặc hơn và tách biệt tốt hơn giữa phần ồn và phần yên tĩnh.
Tính đối xứng
Cần giữ cấu trúc lớp đối xứng qua tâm cả về lượng đồng lẫn độ dày chất điện môi. Bo mạch không cân bằng sẽ cong hoặc xoắn khi bị nung trong quá trình hàn chảy, và bo mạch bị cong rất khó lắp ráp. Nếu đồng ở mặt trên chủ yếu là vùng đổ mass còn mặt dưới trống, cần thêm vùng đổ để cân bằng.
Kiểm soát trở kháng
Đường mạch trên bo mạch hoạt động như một đường truyền. Trở kháng đặc trưng của đường mạch, tính bằng ohm, phụ thuộc vào:
- độ rộng đường mạch,
- khoảng cách đến mặt phẳng tham chiếu (độ dày chất điện môi),
- hằng số điện môi (Dk) của vật liệu,
- độ dày lớp đồng,
- đối với cặp vi sai, khoảng cách giữa hai đường mạch.
Hình vẽ cho thấy các kích thước có thể nhìn thấy. Độ dày lớp đồng và hằng số điện môi của vật liệu cũng được tính đến.
- Độ rộng đường mạch.
- Chiều cao của lớp cách điện giữa đường mạch và mặt phẳng tham chiếu của đường mạch.
- Khoảng cách giữa hai đường mạch của một cặp vi sai.
- Mặt phẳng tham chiếu: một lớp đồng liên tục bên dưới các đường mạch. Cần giữ lớp này không bị đứt.
Khi tín hiệu truyền đủ nhanh, sự không khớp giữa trở kháng của đường mạch với trở kháng của mạch phát và mạch thu sẽ gây phản xạ. Việc này có trở thành vấn đề hay không phụ thuộc vào thời gian lên và độ dài đường mạch, không chỉ vào tần số xung nhịp.
Khi nào cần kiểm soát trở kháng
Cần kiểm soát trở kháng đối với các giao diện mà tiêu chuẩn của giao diện đó yêu cầu. Các giá trị đích thường gặp:
- 50 Ω đơn đầu cho nhiều tín hiệu vô tuyến và tín hiệu đơn đầu tốc độ cao,
- 90 Ω vi sai cho USB,
- 100 Ω vi sai cho Ethernet và cho nhiều cặp LVDS, HDMI và loại DDR,
- 85 Ω vi sai cho PCIe là giá trị thường được nêu.
Cần kiểm tra giá trị đích trong datasheet hoặc tiêu chuẩn của giao diện, vì các giá trị khác nhau giữa các phiên bản và các thiết kế.
Không cần kiểm soát trở kháng đối với tín hiệu chậm, GPIO thông thường, hoặc nguồn. Yêu cầu kiểm soát trở kháng khi không cần sẽ làm tăng chi phí.
Nhà máy cần gì
- Một cấu trúc lớp. Thứ tự lớp, độ dày lớp đồng, loại và độ dày chất điện môi, và tổng độ dày. Kỹ sư của nhà máy có thể đề xuất một cấu trúc lớp phù hợp với vật liệu của nhà máy.
- Đường mạch nào, trên lớp nào, với trở kháng đích bao nhiêu. Đối với cặp vi sai, cần nêu đường mạch nào tạo thành cặp.
- Dung sai chấp nhận được. Mười phần trăm là con số thường gặp. Dung sai chặt hơn sẽ tốn chi phí hơn.
- Cách xác minh. Nhà máy đặt các mẫu thử ở mép panel và đo các mẫu thử đó; bản thân bo mạch không được đo. Cần hỏi có nhận được báo cáo hay không.
Độ rộng đường mạch và khoảng cách sau đó được kỹ sư của nhà máy điều chỉnh để đạt giá trị đích trên cấu trúc lớp thực tế, đó là lý do độ rộng đã vẽ có thể thay đổi một lượng nhỏ và cần chấp nhận điều đó.
Tính toán
Các công cụ giải trường trong phần mềm thiết kế và các công cụ tính trực tuyến miễn phí cho ước tính ban đầu tốt. Con số của chính nhà máy về Dk và độ dày là con số có giá trị, vì các giá trị danh nghĩa trên datasheet khác với bo mạch đã ép.
Lời khuyên thực tế
- Cần hỏi cấu trúc lớp tiêu chuẩn của nhà máy cho số lớp và độ dày đó trước khi đi dây.
- Chỉ đi dây các đường mạch có kiểm soát trở kháng trên các lớp mà cấu trúc lớp mô tả.
- Giữ các mặt phẳng tham chiếu không bị đứt bên dưới các tín hiệu nhanh.
- Không trộn các mức độ dày lớp đồng trên cùng một lớp mà không thông báo cho nhà máy.
- Nêu rõ điều quan trọng trong một ghi chú ngắn, không chỉ trong bản vẽ.
Nội dung này thể hiện thế nào khi đặt hàng tại đây
Nếu đặt kiểm soát trở kháng mà không có cấu trúc lớp, kiểm tra file sẽ nêu rõ: "Kiểm soát trở kháng cần cấu trúc lớp" là một trong 25 kiểm tra của hệ thống. Kiểm tra không thể biết từ các file rằng một đường mạch cần kiểm soát trở kháng, hoặc cấu trúc lớp có phù hợp với thiết kế hay không; cần nêu đường mạch nào và giá trị đích nào khi đặt hàng. Vật liệu và các cấu trúc lớp có sẵn nằm trên trang năng lực sản xuất, và kỹ sư xác nhận các chi tiết cùng với đơn hàng. Về vật liệu, vui lòng đọc Vật liệu nền PCB.