Regole di instradamento PCB: larghezza della traccia, spaziatura e scelte di produzione che contano

Ogni scheda instradata che vediamo nella nostra fabbrica racconta una storia sulle decisioni prese prima del suo arrivo. Uno schema definisce la funzione elettrica, ma il routing decide se tale funzione può essere prodotta a un costo ragionevole, entro un tempo di consegna realistico e con un margine sufficiente per sopravvivere ad anni di calore, vibrazioni e stress di tensione. Nella nostra esperienza come produttore di PCB, la maggior parte dei problemi di produzione prevenibili (tracce bruciate, distanze errate, pannelli deformati, placcatura scadente) risalgono a una manciata di regole di instradamento che sono state tralasciate o fraintese. Questo articolo spiega cosa comporta realmente il routing di una scheda PC, quali parametri contano di più e come impostare i vincoli di routing che una fabbrica può effettivamente creare senza controversie.

Cosa comporta effettivamente il routing di una scheda PC

L'instradamento è la fase di layout in cui ogni rete elettrica nello schema diventa un percorso fisico in rame. Il software può tracciare questi percorsi automaticamente, ma il risultato è buono quanto i vincoli forniti dal progettista: larghezza della traccia, spaziatura tra i conduttori, strati consentiti, tipi di via e distribuzione del rame che vedrà il processo di incisione e placcatura.

Il percorso crea inoltre i piani di riferimento al suolo, le isole energetiche e i percorsi termici che consentono il funzionamento della progettazione nel mondo reale. Il posizionamento dei componenti decide dove si trovano le parti; il routing decide come si connettono. Tra i due, il routing ha la maggiore influenza sul costo e sulla resa di produzione, perché la geometria della traccia e il bilancio del rame influenzano direttamente il modo in cui la fabbrica incide, placca e lamina il pannello.

Larghezza della traccia: la prima decisione sul percorso

La larghezza della traccia è il primo numero da impostare perché soddisfa tre requisiti contemporaneamente: capacità di corrente, caduta di tensione e impedenza caratteristica. Le tracce del segnale possono essere sottili; le reti elettriche necessitano di sezione trasversale. Il riferimento utilizzato dalla maggior parte delle fabbriche è IPC-2221. Per 1 oncia (35 µm) di rame su uno strato esterno con un aumento di temperatura di 10°C, la capacità di corrente stimata è all'incirca la seguente.

Nella pratica, due correzioni contano. Le tracce sugli strati interni dissipano circa la metà del calore rispetto alle tracce esterne, quindi la tabella corrente dovrebbe essere declassata di conseguenza. E questi valori presuppongono un modesto aumento di 10°C; se l'involucro circostante blocca il flusso d'aria o la temperatura ambiente è elevata, la corrente di sicurezza diminuisce ulteriormente. Quando un progetto deve trasportare una corrente elevata e sostenuta, il percorso dovrebbe utilizzare un getto di rame, un piano o uno strato di rame più spesso anziché una singola traccia stretta. La nostra linea instrada regolarmente tavole di rame spesse da 2 once a 10 once e le tabelle della larghezza delle tracce per questi pesi sembrano molto diverse dai valori di 1 oncia sopra.

Distanza e spaziatura: impostateli per la tensione, non solo per il controllo delle regole di progettazione

La distanza è la distanza tra due elementi in rame: traccia su traccia, traccia su pad, pad su via. Un controllo delle regole di progettazione verificherà qualunque numero venga digitato nello strumento CAD, ma il numero giusto deriva dalla tensione, dall'integrità del segnale e dalla capacità di fabbrica, non da una regola predefinita. Per le reti di segnali a bassa tensione all'interno di un prodotto chiuso, è comune 0,1 mm (4 mil) tra le tracce; la nostra capacità standard è di 4 mil e possiamo contenere 3 mil di traccia e spazio laddove la densità di progettazione lo richiede.

L'autorizzazione non dovrebbe essere un unico valore globale. La tensione di lavoro, il grado di inquinamento, il rivestimento, l'altitudine e le tensioni transitorie influenzano tutti la distanza superficiale necessaria per un prodotto. IPC-2221B contiene le tabelle di spaziatura rispetto alla tensione utilizzate dagli ingegneri di conformità; come regola pratica, qualsiasi rete che trasporta più di 50 V, o qualsiasi traccia instradata vicino al bordo della scheda, dovrebbe utilizzare uno spazio sostanzialmente maggiore rispetto alla regola di progettazione predefinita.

Per i segnali ad alta velocità, la spaziatura controlla sia l'accoppiamento che l'impedenza. Una coppia differenziale accoppiata mantiene l'impedenza target solo quando lo spazio tra le due tracce rimane costante e il piano di riferimento sottostante conta più del valore di distanza assoluto. Per i circuiti RF, una traccia da 50 Ω è definita dalla sua larghezza, dallo spessore dielettrico e dalla distanza dal piano di terra sottostante.

Stackup di livelli: la densità di routing determina costi e tempi di consegna

Il numero di livelli è la decisione di routing più importante presa da un progetto. Se due strati riescono a gestire la densità, uno stackup a sei strati è uno spreco di denaro. Se il progetto necessita di alimentazione continua e piani di terra, stretto controllo dell'impedenza o fitto fan-out BGA, lo stackup si sposta su quattro, sei o più livelli. Il passaggio da due a quattro strati raddoppia all'incirca i costi di processo, poiché al percorso vengono aggiunte l'imaging dello strato interno, la laminazione, l'allineamento e ulteriori fasi di perforazione. I tempi di consegna crescono anche con il numero di strati. Nella nostra struttura nella zona di sviluppo economico di Guangde, i tempi di produzione pubblicati in base al numero di strati sono i seguenti.

Il percorso imposta l'accumulo e l'accumulo imposta la data di consegna. Se un progetto necessitasse solo di 12 strati perché gli strati di segnale esterni sono scarsamente utilizzati, un percorso più pulito a quattro strati sarebbe arrivato in una frazione del tempo. La nostra fabbrica costruisce da 1 a 32 strati e il modello è coerente: un instradamento efficiente riduce i tempi di consegna in modo più affidabile di qualsiasi tariffa di celerità.

Regole DFM: traccia il percorso in cui una fabbrica incide, piastre e lamina

Un percorso che supera i controlli della netlist e del segnale può comunque fallire in fabbrica. La tavola deve essere incisa, forata, placcata e pressata e ogni processo ha limiti geometrici. Le seguenti regole impediscono gli errori ripetuti più comuni.

Equilibrio del rame e furto

Quando un'area di uno strato è solida e un'altra è quasi vuota, lo spessore della placcatura diventa irregolare e la laminazione può deformare il pannello. Un buon instradamento distribuisce il rame su ogni strato; dove ciò è impossibile, aggiungi blocchi da ladro o rame tratteggiato. Il nostro team CAM aggiunge eventuali furti durante l'attrezzaggio, ma un design instradato che arriva a passaggi bilanciati revisiona più velocemente e lastre in modo più uniforme.

Vie e anello anulare

Ogni via necessita di un anello anulare: l'anello di rame attorno al foro che collega la canna alla traccia. Se l'anello è troppo piccolo, l'errata registrazione della punta interrompe la connessione. Un anello anulare di minimo 4 mil (0,1 mm) è una regola di lavoro sicura per la lavorazione standard. I passaggi ciechi e interrati riducono il numero di strati nei progetti densi, ma ciascun tipo di passaggio aggiunge fasi di perforazione e laminazione; via-in-pad, utile con BGA, richiede riempimento e placcatura aggiuntiva. Le schede HDI con microvie formano una famiglia di processi separata, che la nostra linea HDI fornisce entro 25 giorni.

Rilievi termici

Quando un pad a foro passante si collega a un grande getto di rame, il getto funge da dissipatore di calore durante la saldatura. Senza i raggi di scarico termico, il pad potrebbe non raggiungere la temperatura di saldatura. Instradare i pad collegati al piano con rilievi termici ovunque la corrente nominale lo consenta.

Una pratica checklist di routing da eseguire prima di inviare file:

• Dimensioni delle tracce e dei flussi di potenza per la corrente sostenuta nel caso peggiore, non per il carico tipico.
• Utilizzare regole di autorizzazione per classe di rete; le reti di segnale ad alta tensione, ad alta velocità e generali raramente necessitano della stessa spaziatura.
• Mantenere la distribuzione del rame su ogni strato ragionevolmente uniforme e aggiungere furti agli strati che sono per lo più vuoti.
• Confermare con la fabbrica la traccia/spazio minimo, l'anello anulare minimo e la dimensione minima della punta prima di finalizzare il percorso.
• Posizionare un piano di riferimento solido sotto ogni percorso ad alta velocità o controllato dall'impedenza.

Materiali e finiture superficiali che cambiano le regole di posa

Il substrato e la finitura modificano i parametri di instradamento tanto quanto il circuito elettrico. L'FR-4 standard gestisce bene le schede digitali e analogiche generali. L'FR-4 ad alta Tg resiste al cedimento CAF nei pannelli multistrato spessi ed è comune nell'elettronica automobilistica; FR-4 privo di alogeni soddisfa i requisiti ambientali; i laminati ad alta frequenza con Dk e Df controllati vengono utilizzati per RF e digitale ad alta velocità e la larghezza della traccia necessaria per una linea da 50 Ω cambia con ciascun materiale.

I pannelli con nucleo metallico, base in alluminio o rame, conducono il calore attraverso il substrato, quindi i circuiti di alimentazione possono utilizzare percorsi più stretti, ma la perforazione e l'incisione dei nuclei metallici seguono regole di progettazione diverse. La nostra gamma di prodotti comprende schede FR-4, ad alta Tg, prive di alogeni, ad alta frequenza, a base di alluminio, rame e ceramica, con finiture superficiali come OSP, HASL senza piombo, oro ad immersione e stagno ad immersione. La scelta della finitura influisce principalmente sulla saldabilità e sulla durata di conservazione, quindi dovrebbe essere abbinata al processo di assemblaggio piuttosto che trattata come un ripensamento.

Percorso pensando alla produzione

Il routing è il luogo in cui un progetto diventa un oggetto fisico e quell'oggetto viene giudicato da una fabbrica. Le schede che vengono spedite in tempo e funzionano in modo affidabile raramente sono il prodotto di impostazioni intelligenti del router automatico; sono il prodotto delle larghezze di traccia dimensionate per la corrente, delle distanze impostate per la tensione, degli stackup scelti per la densità e dei dettagli DFM rispettati dal primo passaggio di layout. In caso di dubbi, chiedi in anticipo: un prototipo fronte-retro della nostra fabbrica può essere trasformato in 24 ore e un'iterazione rapida costa molto meno di un lotto da 16 strati che non supera il test elettrico a causa di un errore di spaziatura. Se hai bisogno di consigli sullo stackup, di una revisione DFM o di un preventivo per una scheda instradata da 1 a 32 strati, il nostro team di ingegneri è pronto a rispondere con specifiche.