PCB-Routing-Regeln: Wichtige Leiterbahnbreite, Abstände und Fertigungsentscheidungen

Jede geroutete Platine, die wir in unserer Fabrik sehen, erzählt eine Geschichte über die Entscheidungen, die vor ihrer Ankunft getroffen wurden. Ein Schaltplan definiert die elektrische Funktion, aber das Routing entscheidet darüber, ob diese Funktion zu vernünftigen Kosten, innerhalb einer realistischen Vorlaufzeit und mit genügend Spielraum hergestellt werden kann, um jahrelanger Hitze-, Vibrations- und Spannungsbelastung standzuhalten. Nach unserer Erfahrung als Leiterplattenhersteller sind die meisten vermeidbaren Produktionsprobleme – verbrannte Leiterbahnen, fehlerhafte Abstände, verzogene Platten, schlechte Beschichtung – auf eine Handvoll Routing-Regeln zurückzuführen, die entweder übersehen oder missverstanden wurden. In diesem Artikel wird erklärt, was das Routing einer PC-Platine wirklich beinhaltet, welche Parameter am wichtigsten sind und wie man Routing-Einschränkungen festlegt, die eine Fabrik tatsächlich ohne Streit umsetzen kann.

Was das Routing einer PC-Platine eigentlich beinhaltet

Routing ist der Layoutschritt, bei dem jedes elektrische Netz im Schaltplan zu einem physischen Kupferpfad wird. Software kann diese Pfade automatisch zeichnen, aber das Ergebnis ist nur so gut wie die vom Designer vorgegebenen Einschränkungen: Leiterbahnbreite, Abstand zwischen Leitern, zulässige Schichten, Durchkontaktierungstypen und die Kupferverteilung, die beim Ätz- und Galvanisierungsprozess berücksichtigt wird.

Die Route erstellt auch die Bodenreferenzebenen, Energieinseln und Wärmepfade, die dafür sorgen, dass ein Entwurf in der realen Welt funktioniert. Die Platzierung der Komponenten entscheidet darüber, wo die Teile sitzen. Das Routing entscheidet, wie sie sich verbinden. Zwischen beiden hat das Routing den größeren Einfluss auf die Herstellungskosten und die Ausbeute, da die Leiterbahngeometrie und das Kupfergleichgewicht direkten Einfluss darauf haben, wie die Fabrik das Panel ätzt, plattiert und laminiert.

Spurbreite: Die erste Routenentscheidung

Die Leiterbahnbreite ist die erste Zahl, die eingestellt werden muss, da sie drei Anforderungen gleichzeitig erfüllt: Stromkapazität, Spannungsabfall und charakteristische Impedanz. Signalspuren können dünn sein; Stromnetze brauchen Querschnitt. Die von den meisten Fabriken verwendete Referenz ist IPC-2221. Für 1 Unze (35 µm) Kupfer auf einer Außenschicht und einem Temperaturanstieg von 10 °C ist die geschätzte Stromkapazität ungefähr wie folgt.

Zwei Korrekturen sind in der Praxis von Bedeutung. Leiterbahnen auf inneren Schichten leiten etwa halb so viel Wärme ab wie äußere Leiterbahnen, daher sollte die aktuelle Tabelle entsprechend herabgestuft werden. Und diese Werte gehen von einem bescheidenen Anstieg um 10°C aus; Wenn das umgebende Gehäuse den Luftstrom blockiert oder die Umgebungstemperatur hoch ist, sinkt der sichere Strom weiter. Wenn ein Design anhaltend hohe Ströme führen muss, sollte für die Route ein Kupferguss, eine Ebene oder eine dickere Kupferschicht anstelle einer einzelnen schmalen Leiterbahn verwendet werden. Unsere Linie verarbeitet regelmäßig Kupferplatinen mit einer Dicke von 2 bis 10 Unzen, und die Leiterbahnbreitentabellen für diese Gewichte unterscheiden sich stark von den oben genannten 1-Unzen-Werten.

Abstand und Abstand: Stellen Sie sie auf Spannung ein, nicht nur für die Überprüfung der Designregeln

Der Abstand ist der Abstand zwischen zwei Kupferelementen: Leiterbahn zu Leiterbahn, Leiterbahn zu Pad, Pad zu Via. Bei einer Entwurfsregelprüfung wird überprüft, welche Zahl in das CAD-Tool eingegeben wird. Die richtige Zahl ergibt sich jedoch aus der Spannung, der Signalintegrität und der Werksfähigkeit, nicht aus einer Standardregel. Bei Niederspannungssignalnetzen innerhalb eines geschlossenen Produkts ist ein Abstand von 0,1 mm (4 mil) zwischen den Leiterbahnen üblich; Unsere Standardkapazität beträgt 4 mil, und wir können 3 mil Leiterbahnen und Platz dort halten, wo die Designdichte dies erfordert.

Der Abstand sollte kein einzelner globaler Wert sein. Arbeitsspannung, Verschmutzungsgrad, Beschichtung, Höhe und Übergangsspannungen beeinflussen alle die Kriechstrecke, die ein Produkt benötigt. IPC-2221B enthält die Abstand-Spannungs-Tabellen, die Compliance-Ingenieure verwenden; Als praktische Regel gilt, dass jedes Netz, das mehr als 50 V führt, oder jede Leiterbahn, die in der Nähe der Platinenkante verlegt wird, einen wesentlich größeren Abstand als die Standardentwurfsregel haben sollte.

Bei Hochgeschwindigkeitssignalen steuert der Abstand sowohl die Kopplung als auch die Impedanz. Ein angepasstes Differenzialpaar behält seine Zielimpedanz nur bei, wenn der Abstand zwischen den beiden Leiterbahnen konstant bleibt und die Referenzebene darunter wichtiger ist als der absolute Abstandswert. Bei HF-Schaltkreisen wird eine 50-Ω-Leiterbahn durch ihre Breite, die Dicke des Dielektrikums und den Abstand zur darunter liegenden Masseebene definiert.

Layer-Stackup: Routing-Dichte steigert Kosten und Durchlaufzeit

Die Anzahl der Schichten ist die wichtigste Routing-Entscheidung, die ein Design trifft. Wenn zwei Schichten die Dichte bewältigen können, ist ein sechsschichtiger Aufbau verschwendetes Geld. Wenn das Design kontinuierliche Stromversorgungs- und Masseebenen, eine strenge Impedanzkontrolle oder einen dichten BGA-Fanout erfordert, wird der Aufbau auf vier, sechs oder mehr Schichten verschoben. Bei der Umstellung von zwei auf vier Schichten verdoppeln sich die Prozesskosten ungefähr, da die Bildbearbeitung der inneren Schicht, die Laminierung, die Ausrichtung und zusätzliche Bohrschritte zur Route hinzugefügt werden. Auch die Vorlaufzeiten verlängern sich mit der Anzahl der Schichten. In unserem Werk in der Wirtschaftsentwicklungszone Guangde lauten die veröffentlichten Produktionsvorlaufzeiten nach Schichtanzahl wie folgt.

Die Route legt den Stapel fest, und der Stapel legt das Lieferdatum fest. Wenn ein Design nur 12 Schichten benötigt, weil die äußeren Signalschichten schlecht genutzt werden, wäre in einem Bruchteil der Zeit eine sauberere Vier-Schichten-Route entstanden. Unsere Fabrik baut von 1 bis 32 Schichten, und das Muster ist konsistent: Eine effiziente Routenplanung verkürzt die Durchlaufzeit zuverlässiger als jede Expressgebühr.

DFM-Regeln: Führen Sie die Art und Weise aus, wie eine Fabrik Ätzungen, Platten und Laminate durchführt

Eine Route, die die Netzlisten- und Signalprüfungen besteht, kann in der Fabrikhalle dennoch fehlschlagen. Die Platine muss geätzt, gebohrt, plattiert und gepresst werden, und jeder Prozess hat geometrische Grenzen. Die folgenden Regeln verhindern die häufigsten Wiederholungsfehler.

Kupferwaage und Diebstahl

Wenn ein Bereich einer Schicht fest ausgegossen ist und ein anderer fast leer ist, wird die Beschichtungsdicke ungleichmäßig und die Laminierung kann zu Verformungen der Platte führen. Bei einer guten Leitungsführung wird Kupfer über alle Schichten verteilt; Wo das nicht möglich ist, fügen Sie Diebblöcke oder schraffiertes Kupfer hinzu. Unser CAM-Team erhöht den Aufwand bei der Werkzeugbestückung, aber ein gefrästes Design, das ausbalanciert ist, besteht eine schnellere Überprüfung und gleichmäßigere Platten.

Vias und Ring

Jede Durchkontaktierung benötigt einen ringförmigen Ring: den Kupferring um das Bohrloch, der den Zylinder mit der Leiterbahn verbindet. Wenn der Ring zu klein ist, wird die Verbindung durch eine Fehlausrichtung des Bohrers unterbrochen. Ein Ringdurchmesser von mindestens 4 mil (0,1 mm) ist eine sichere Arbeitsregel für die Standardverarbeitung. Blinde und vergrabene Vias reduzieren die Anzahl der Schichten in dichten Designs, aber jeder Via-Typ fügt Bohr- und Laminierungsschritte hinzu; Via-in-Pad, nützlich unter BGAs, erfordert Füllung und zusätzliche Beschichtung. HDI-Boards mit Microvias bilden eine eigene Prozessfamilie, die unsere HDI-Linie innerhalb von 25 Tagen liefert.

Thermische Entlastungen

Wenn ein Durchgangslochpad mit einem großen Kupferguss verbunden wird, fungiert der Guss beim Löten als Wärmesenke. Ohne thermische Entlastungsspeichen erreicht das Pad möglicherweise nicht die Löttemperatur. Verlegen Sie ebenenverbundene Pads mit thermischen Entlastungen überall dort, wo die aktuelle Nennleistung dies zulässt.

Eine praktische Routing-Checkliste, die Sie vor dem Senden von Dateien ausführen sollten:

• Dimensionieren Sie Stromleiterbahnen und -ströme für einen anhaltenden Worst-Case-Strom, nicht für die typische Last.
• Verwenden Sie Freigaberegeln pro Netzklasse. Hochspannungs-, Hochgeschwindigkeits- und allgemeine Signalnetze benötigen selten den gleichen Abstand.
• Sorgen Sie dafür, dass die Kupferverteilung auf jeder Schicht einigermaßen gleichmäßig ist, und erhöhen Sie die Kupferverteilung auf den Schichten, die größtenteils leer sind.
• Bestätigen Sie die minimale Spur/Abstandshöhe, den minimalen Ringring und die minimale Durchgangsbohrgröße mit dem Werk, bevor Sie die Route festlegen.
• Platzieren Sie unter jeder Hochgeschwindigkeitsstrecke oder impedanzkontrollierten Strecke eine feste Referenzebene.

Materialien und Oberflächenbeschaffenheiten, die die Routing-Regeln ändern

Der Untergrund und die Oberfläche verändern die Routing-Parameter ebenso wie der Stromkreis. Der Standard-FR-4 eignet sich gut für allgemeine digitale und analoge Karten. FR-4 mit hoher Tg widersteht CAF-Versagen in dicken Mehrschichtplatinen und ist in der Automobilelektronik weit verbreitet. halogenfreies FR-4 erfüllt Umweltanforderungen; Hochfrequenzlaminate mit kontrolliertem Dk und Df werden für HF- und Hochgeschwindigkeits-Digitalanwendungen verwendet, und die für eine 50-Ω-Leitung erforderliche Leiterbahnbreite ändert sich mit jedem Material.

Platinen mit Metallkern – auf Aluminium- oder Kupferbasis – leiten die Wärme durch das Substrat, sodass Stromkreise schmalere Leitungen nutzen können, das Bohren und Ätzen von Metallkernen folgt jedoch unterschiedlichen Designregeln. Unsere Produktpalette umfasst FR-4-, Hoch-Tg-, halogenfreie, Hochfrequenz-, Aluminium-, Kupfer- und Keramikplatten mit Oberflächenveredelungen wie OSP, bleifreiem HASL, Immersionsgold und Immersionszinn. Die Wahl der Oberflächenbeschaffenheit wirkt sich hauptsächlich auf die Lötbarkeit und die Haltbarkeit aus und sollte daher auf den Montageprozess abgestimmt und nicht als nachträglicher Einfall betrachtet werden.

Route mit Blick auf die Fertigung

Beim Routing wird ein Entwurf zu einem physischen Objekt und dieses Objekt wird von einer Fabrik beurteilt. Pünktlich ausgelieferte und zuverlässig funktionierende Boards sind selten das Ergebnis cleverer Router-Einstellungen; Sie sind das Produkt der für den Strom dimensionierten Leiterbahnbreiten, der für die Spannung eingestellten Abstände, der für die Dichte gewählten Stapelungen und den DFM-Details, die vom ersten Layoutdurchgang an berücksichtigt wurden. Fragen Sie im Zweifelsfall frühzeitig nach: Ein doppelseitiger Prototyp aus unserem Werk kann in 24 Stunden fertig sein, und eine schnelle Iteration kostet weit weniger als eine 16-Lagen-Charge, die den elektrischen Test aufgrund eines Abstandsfehlers nicht besteht. Wenn Sie eine Stackup-Empfehlung, eine DFM-Überprüfung oder ein Angebot für eine geroutete Platine mit 1 bis 32 Lagen benötigen, ist unser Technikteam darauf vorbereitet, Ihnen mit Einzelheiten zu antworten.