除了佈局之外,有三件事決定一塊板的電氣與熱行為:銅有多厚、各層如何排列,以及每一層與相鄰層的距離。本文逐一說明這三件事,並說明何時需要告知工廠。
銅厚
銅厚以單位面積的重量表示:每平方英尺的盎司數。一盎司銅均勻分布在一平方英尺上,厚度約為 35 微米(0.035 mm,或 1.4 mil)。兩盎司約為 70 µm。
| 銅厚 | 約略厚度 | 典型用途 |
|---|---|---|
| 0.5 oz | 17.5 µm | 內層、細走線 |
| 1 oz | 35 µm | 外層的常用選擇 |
| 2 oz | 70 µm | 電源板、較高電流 |
| 3 oz 以上 | 105 µm 以上 | 厚銅:電源供應器、匯流排 |
- 銅厚: 同一條走線在三種銅厚下的情形。
- 絕緣層壓板位於銅的下方。
- 蝕刻會橫向切入也會向下切,因此厚銅會留下較寬的走線底部,且需要較寬的間距。
有兩件事容易被忽略:
- 外層在電鍍時會增加銅厚。 以「1 oz」外層銅厚下單的板,通常先使用較薄的銅箔,再電鍍增厚,因為孔必須電鍍。不同製造商對成品厚度的標示方式不同;請詢問該數字指的是起始銅箔還是成品銅厚。
- 較厚的銅需要較寬的間距與較寬的走線。 蝕刻會橫向也會向下進行,因此厚銅需要更多空間才能蝕刻乾淨。厚銅也會改變工廠設定最小走線與間距的方式。不要以 0.5 oz 所用的間距來設計 3 oz 銅厚。
一條走線能承載多少電流
一條走線能承載的電流取決於其寬度、銅厚、您可接受的溫升,以及它位於外層(可由空氣冷卻)還是內層(無法由空氣冷卻)。這方面的標準參考是 IPC-2221,它提供了曲線,而其較新的配套標準 IPC-2152 被視為更好的資料來源。請使用以這些標準為基礎的計算器,保留裕量,並更謹慎看待內層的計算結果。對於承載數安培以上電流的走線,請考慮較寬的走線、多邊形鋪銅、額外的銅厚,或以焊料強化的銅,而不是把細走線推到極限。
疊構
疊構是各層及其間內容的依序清單:銅、介電質厚度與類型、銅,依此類推。每一塊多層板都有一個疊構,除非您指定,否則由工廠決定實際的疊構。
- 兩層: 銅、一個芯板、銅。
- 四層: 外層銅、半固化片、內層銅、一個芯板、內層銅、半固化片、外層銅。
- 六層: 六個銅層之間有兩個芯板與三層半固化片。
- 半固化片: 含部分固化樹脂的玻璃布,在壓合電路板時會熔化並黏合各層。
- 芯板: 兩面都有銅的硬質層壓板。
兩層
兩面都有銅,中間有一個芯板。結構簡單且成本低。適用於簡單的數位、低速與許多類比設計。
四層
這是最常見的進階選擇。常見的排列如下:
- 訊號(頂層)
- 接地平面
- 電源平面(或第二個接地平面)
- 訊號(底層)
頂層訊號下方的實心接地平面為電流提供回流路徑,並使迴路面積保持較小,這有助於降低雜訊與輻射。內層使用 0.5 oz 或 1 oz 銅。總厚度 1.6 mm 的板是常見情形,外側介電質較薄(使頂層訊號靠近接地平面),中間則有較厚的芯板。
六層
常見的排列是訊號、接地、訊號、訊號、電源、訊號,或訊號、接地、訊號、電源、接地、訊號。其用意是讓每個訊號層旁邊都有一個平面,且各平面在可能時彼此靠近。六層可支援更快的訊號、更密集的佈局,並能更好地分離雜訊較大的部分與安靜的部分。
對稱性
讓疊構在銅量與介電質厚度上都以中心對稱。不平衡的板在回焊加熱時會彎曲或扭曲,而彎曲的板難以組裝。如果頂層的銅大部分是接地鋪銅,而底層是空的,請加入鋪銅來平衡。
阻抗控制
板上的一條走線表現得像一條傳輸線。其特性阻抗(以歐姆為單位)取決於:
- 線寬,
- 與參考平面的距離(介電質厚度),
- 材料的介電常數(Dk),
- 銅厚,
- 對差分對而言,兩條走線之間的間距。
圖中顯示了您能看到的尺寸。銅厚與材料的介電常數也同樣有影響。
- 線寬。
- 絕緣層高度,位於走線與其參考平面之間。
- 兩條走線之間的間距,屬於一個差分對。
- 參考平面: 走線下方的實心銅層。請保持它完整不中斷。
當訊號傳播夠快時,走線阻抗與驅動器及接收器阻抗之間的不匹配會造成反射。這是否構成問題,取決於上升時間與走線長度,而不只是時脈頻率。
何時重要
對於標準有此要求的介面,您需要阻抗控制。典型的目標值:
- 50 Ω 單端,適用於許多無線電與快速單端訊號,
- 90 Ω 差分,適用於 USB,
- 100 Ω 差分,適用於乙太網路,以及許多 LVDS、HDMI 與 DDR 類型的差分對,
- 85 Ω 差分,PCIe 常被引用的值是這個。
請在您介面的資料表或標準中確認目標值,因為不同版本與設計的數值不同。
慢速訊號、典型的 GPIO 或電源不需要阻抗控制。在不需要時要求阻抗控制會增加成本。
工廠需要什麼
- 一個疊構。 層的順序、銅厚、介電質類型與厚度,以及總厚度。工廠的工程師可能會建議一個符合其材料的疊構。
- 哪些走線、位於哪些層、目標阻抗是多少。 對差分對,請說明哪些走線組成一對。
- 您可接受的公差。 百分之十是常見的數值。公差更緊,成本更高。
- 如何驗證。 工廠會在拼板邊緣放置測試片並量測它們;電路板本身不會被量測。請詢問您是否會收到報告。
接著,工廠的工程師會調整線寬與間距,以在實際疊構上達到目標值,這就是為什麼您必須接受您繪製的寬度可能會小幅改變。
計算
設計軟體中的場求解器工具與免費線上計算器能提供良好的初步估算。工廠自己對 Dk 與厚度的數值才是準據,因為資料表上的標稱值與壓合後的電路板不同。
實務建議
- 在佈線前,請索取工廠針對該層數與厚度的標準疊構。
- 只在疊構所描述的層上佈置需要阻抗控制的走線。
- 保持快速訊號下方的參考平面完整不中斷。
- 不要在未告知工廠的情況下,在同一層混用不同的銅厚。
- 以簡短的說明寫明關鍵事項,不要只寫在圖面上。
在這裡下單時如何呈現
如果您下單要求阻抗控制但未提供疊構,檔案檢查會指出這一點:「阻抗控制需要疊構」是其 25 項檢查之一。檔案檢查無法從檔案判斷一條走線是否需要阻抗控制,也無法判斷您的疊構是否符合您的設計;請隨訂單說明哪些走線與哪些目標值。可用的材料與疊構列在製程能力頁面,工程師會隨訂單確認細節。關於材料,請閱讀 PCB 基材。