13 základních pravidel pro rozvržení desek plošných spojů (a selhání, kterým zabraňují)

Schéma zapojení dokazuje, že nápad může fungovat; rozvržení desky plošných spojů rozhoduje o tom, zda skutečně funguje, jakmile je sestavena. Stejný netlist může vytvořit tichou, vyrobitelnou desku nebo takovou, která vyzařuje, selhává při vysokých rychlostech, přehřívá se a hromadí vady při montáži – rozdíl je zcela v umístění a směrování. Níže uvedených třináct pravidel jsou ta, která naši inženýři u příchozích návrhů nejčastěji ignorují. Jsou uspořádaná v pořadí, v jakém byste desku skutečně rozvrhli, a uvedená s konkrétními čísly, která je činí použitelnými. Žádné z nich není exotické; společně dobrý návrh a rozvržení desky plošných spojů zabraňuje velké většině zbytečných opakovaných otáček.

Následující text odráží, co náš tým DFM ve společnosti Highleap Electronics hledá při kontrole návrhu před výrobou.

1. Proč je rozvržení desek plošných spojů důležitější než schéma zapojení

Každá síť na desce plošných spojů je fyzická struktura s odporem, indukčností, kapacitou a zpětným proudem, který se musí dostat domů. Schéma zapojení to vše skrývá, ale rozvržení to odhaluje. Elektromagnetické chování, integrita vysokorychlostního signálu, tepelný výkon a dokonce i výtěžnost výroby jsou určeny umístěním součástek a způsobem, jakým jsou měděné vodiče propojeny – proto zkušený inženýr může zachránit okrajový návrh rozvržení a nedbalý může zničit dobré schéma. Zacházení s osvědčenými postupy pro rozvržení desek plošných spojů jako s pravidly spíše než s preferencemi je to, co dělá desku předvídatelnou v průběhu výroby.

2. Pravidla pro rozvržení desek plošných spojů 1–7: Půdorys, uzemnění a napájení

První rozhodnutí – ještě před jedinou stopou – stanovila strop toho, jak dobrá může deska být.

Pravidlo 1 – Půdorys před zahájením trasy

Nejprve umístěte konektory, montážní otvory a hlavní funkční bloky a seskupte součásti podle funkce, aby signály tekly po desce jedním směrem. Promyšlené uspořádání podlahy zkracuje kritické sítě a zabraňuje zamotanému směrování, které později nutí ke kompromisům.

Pravidlo 2 – Udržujte proudové smyčky malé

Každá signálová a napájecí cesta tvoří smyčku se svým návratem a plocha smyčky je to, co vyzařuje a co zachycuje šum. Umístěte součástky a trasy tak, aby každá smyčka – zejména rychlé signály a aktivní smyčky spínacích regulátorů – zůstala co nejmenší; vyzařované emise se měří s plochou smyčky.

Pravidlo 3 – Deska musí být uzemněna pevnou plochou

Souvislá zemnící rovina je nejúčinnějším nástrojem pro rozvržení. Poskytuje nízkoimpedanční návrat přímo pod každý signál a nesmíte ji vkládat ani dělit pod vysokorychlostní stopy, protože signál procházející mezerou ztrácí svou návratovou cestu, jeho impedance přeskočí a dochází k vyzařování.

Pravidlo 4 – Odpojení u čepu

Umístěte oddělovací kondenzátor (obvykle 0.1 µF, dimenzovaný dle součástky) přímo na každý napájecí pin integrovaného obvodu s krátkou a širokou cestou k napájecí a zemnící rovině a doplňte jej objemovou kapacitou pro desku. Kondenzátor umístěný daleko nebo připojený přes dlouhý tenký vodič přidává indukčnost a nemůže dodat rychlý přechodový proud, který čip vyžaduje.

Pravidlo 5 – Oddělte analogové, digitální a napájecí zdroje

Udržujte zašumené digitální a spínané výkonové sekce v dostatečné vzdálenosti od citlivých analogových a vysokofrekvenčních signálů a veďte jejich zpětné proudy tak, aby digitální šum neprotékal analogovou zemí. Rozdělte je na půdorysu podle funkcí a spojte země v jednom záměrném bodě, kde to části se smíšeným signálem vyžadují.

Pravidlo 6 – Naplánujte síť pro rozvod energie

Každé kolejnici vytvořte nízkoimpedanční cestu: široké trasy nebo vyhrazené roviny, těsné propojení napájení a země pro zajištění mezirovinné kapacity a dostatek mědi, aby se kolejnice při přechodném zatížení neprohýbala. Slabá rozvodná síť se projevuje jako závady maskované jako logické chyby.

Pravidlo 7 – Použijte dostatek vrstev pro splnění pravidel 3–6

Pokud nemůžete každé signálové vrstvě přidělit sousední referenční rovinu a zároveň čistě vést kolejnice, přidejte pár vrstev. Čtyřvrstvá deska s vhodnými rovinami běžně překonává stísněnou dvouvrstvou desku a přidání mědi je levnější než náklady na spolehlivost u kompromisního propojení.

3. Pravidla pro rozvržení desek plošných spojů 8–13: Směrování, impedance a výroba

Po nastavení půdorysu a rovin promění trasování plán v měď, aniž by jej zrušilo.

Pravidlo 8 – Dimenzování křivek pro proud a teplo

Šířka a hmotnost mědi určují, kolik proudu trasa nese při daném zvýšení teploty, dle IPC-2152 (a staršího IPC-2221). Dimenzujte napájecí a zemnící trasy záměrně, nikoli používejte výchozí šířku signálu, a rozšiřte je tam, kde je proud vysoký.

Pravidlo 9 – Udržujte vysokorychlostní sítě krátké, referenční a sladěné

Směrujte rychlé signály krátce a přímo, vždy přes spojitou referenční rovinu, a definujte pro ně řízenou impedanci ve stohu (obvykle 50 Ω single-ended, 90–100 Ω diferencial). Délkově slaďte časově kritické skupiny a diferenciální páry a udržujte hodiny a vysokorychlostní linky v dostatečné vzdálenosti od okrajů desky a citlivých sítí.

Pravidlo 10 – Kontrola přeslechů a hran roviny

Použijte pravidlo 3W – rozteč mezi středy alespoň o šířce tří vodičů – k omezení přeslechů mezi citlivými paralelními vodiči a pravidlo 20H , které spočívá v oddálení rovin od okraje desky, aby se snížilo vyzařování z okraje. Tyto levné heuristiky zabraňují nákladným překvapením z hlediska EMC.

Pravidlo 11 – Trasa s čistou geometrií

Používejte spíše ohyby 45° než prudké zatáčky a vyhýbejte se ostrým úhlům, které by mohly během výroby zachytit leptadlo. Udržujte průchodky mimo kontaktní plošky, pokud nejsou vyplněny a pokoveny, a minimalizujte změny vrstev na rychlých sítích, protože každá průchodka přidává pahýl a nespojitost. Lijte a sešívejte měď rozumně – naše poznámky k lití mědi a sešívání průchodek se týkají sešívání průchodek jak pro stínění, tak pro tepelné rozptylování.

Pravidlo 12 – Řízení tepelné cesty a návrh pro montáž

Měď mezi horkými součástkami by měla být použita pro rozvod tepla, tepelné průchodky pod napájecími kontakty a tepelně odlehčené spoje na rovinách, aby se kontaktní kontakty dobře pájely. Zároveň je třeba respektovat rozměry a rozteče součástek, konzistentně orientovat podobné součásti pro urychlení kontroly a ponechat prostor pro opravy v okolí součástek a konektorů s jemnou roztečí – uspořádání zvyšuje jak spolehlivost, tak výtěžnost montáže.

Pravidlo 13 – Přidejte přístup k testování a návrhu do funkcí továrny

Zajistěte označení osazovacích automatů, testovací body pro testování v obvodu nebo funkční test a mechanické vymezení pro konektory a kryty – a dodržte minimální limity výrobce pro trasy/mezery, mezikruží, velikost vrtáku a počet vrstev. Teoreticky ideální desku, která překračuje výrobní kapacity, jednoduše nelze vyrobit a pozdější přidaný testovací přístup obvykle vynutí opětovné roztočení.

4. Běžné chyby v rozvržení desek plošných spojů, kterým je třeba se vyhnout

Výše uvedená pravidla se přímo vztahují k selhání, která pozorujeme nejčastěji, a je užitečné rozpoznat každé z nich podle jeho příznaku, nikoli pouze podle jeho příčiny.

• Porucha vyzařovaných emisí při testu EMC obvykle sleduje rozdělenou nebo štěrbinovou zem pod rychlými signály nebo roviny, které nejsou staženy zpět od okraje.
• Náhodné závady, které zmizí při sondování jsou obvykle spojeny s integritou napájení: oddělení příliš daleko od čipu nebo prohýbání kolejnice při přechodném zatížení.
• Přehřátí nebo pokles napětí na kolejnici pochází z napájecích stop s výchozí šířkou, které nikdy nebyly dimenzovány na svůj proud.
• Vysokorychlostní spojení, které se nezablokuje často znamená, že impedance byla definována po směrování nebo že diferenciální pár nebyl nikdy délkově sladěn.
• Deska, kterou nelze přesně otestovat nebo umístit znamená, že referenční značky nebo testovací body byly vynechány – objeveny příliš pozdě na to, aby se opravily bez otočení.
• Pozdní „tohle nemůžeme postavit“ od továrny ukazuje na ostré úhly, subminimální rozteč nebo nemožný poměr stran vrtáku.

Vzorec je u všech stejný: náklady na dodržování pravidla během rozestavování jsou triviální, zatímco náklady na jeho porušení představují opakované zatočení, selhání pole nebo zrušená várka. Tato disciplína se vyplatí hned při prvním ušetřeném tahu na hrací ploše.

5. Revize rozvržení desek plošných spojů a DFM ve společnosti Highleap

I pečlivě navržený návrh prospívá z druhého oka, který zná limity továrny. Když zašlete návrh společnosti Highleap, naši inženýři provedou bezplatnou kontrolu DFM ( Design for Mission - návrh pro výrobu) oproti výše uvedeným pravidlům a našim skutečným možnostem – kontrolují trasy a prostor, mezikruží, velikosti vrtáků, vrstvení a impedanci, tepelné odlehčení, rozteče napětí a přístup k testům – ještě předtím, než se cokoli vyrobí. Cílem není přepracovat desku, ale odhalit několik problémů, které by se jinak projevily jako problém s opětovným otáčením nebo mezí.

Pošlete nám své Gerbery nebo ODB++ a my vám vrátíme konkrétní a užitečnou zpětnou vazbu. Poté vše vyrobíme a sestavíme podle vámi zamýšleného rozvržení. Zachycení drážkované roviny nebo nerozložitelné mezery na obrazovce nic nestojí; její nalezení po první sestavě stojí tah.

Získejte bezplatnou kontrolu vašeho rozvržení DFM

6. Nejčastější dotazy k rozvržení desek plošných spojů

Jaké je nejdůležitější pravidlo pro rozvržení desek plošných spojů?

Deska má pevnou, souvislou zemnící rovinu a nikdy ji nepřeruší vysokorychlostní signály. Poskytuje nízkoimpedanční zpětnou cestu přímo pod každou stopou, což řídí impedanci a minimalizuje elektromagnetické rušení – největší páku v rozvržení.

Kam by měly patřit oddělovací kondenzátory?

Přímo na každém napájecím pinu integrovaného obvodu, s krátkým, širokým propojením s napájecí a zemnící rovinou, podpořeným objemovou kapacitou pro desku. Kondenzátor umístěný daleko nebo připojený přes dlouhý tenký vodič přidává indukčnost a nemůže dodávat rychlý přechodový proud čipu.

Jak široká by měla být trasa na desce plošných spojů?

Dostatečně široká, aby snesla proud při přijatelném nárůstu teploty, na základě hmotnosti mědi, dle IPC-2152 nebo IPC-2221. Signálové stopy mohou být úzké, ale napájecí a zemnící stopy by měly být záměrně dimenzovány a rozšířeny tam, kde je proud vysoký.

Jaká jsou pravidla pro 3W a 20H?

Pravidlo 3W rozmisťuje citlivé paralelní vodiče od sebe alespoň o tři šířky vodičů, mezi středy, aby se omezilo přeslechování. Pravidlo 20H odtahuje napájecí a zemnící roviny od okraje desky přibližně o dvacetinásobek dielektrické tloušťky, aby se snížilo vyzařování od okraje.

Jsou rohy trasy o 90 stupních opravdu problém?

Elektromagnetický vliv rohů o úhlu 90° je při většině rychlostí malý, ale ostrým úhlům je třeba se vyhnout, protože během výroby mohou zachytit leptadlo. Standardní a čistou praxí je frézování s ohyby o úhlu 45°.

Proč potřebuji referenční značky a kontrolní body?

Referenční značky umožňují umisťovacím strojům přesně lokalizovat desku a testovací body umožňují testování uvnitř obvodu nebo funkční test. Oba je možné téměř libovolně přidat během rozvržení, ale často vynutí opětovné roztočení, pokud jsou vynechány a potřeba jsou později.

Kolik vrstev potřebuji pro dobré rozvržení?

Dostatečné množství pro zajištění přilehlé referenční roviny pro každou signálovou vrstvu a pro nesení napájecích kolejnic. Jednoduché konstrukce fungují na 2 nebo 4 vrstvách; husté nebo vysokorychlostní konstrukce potřebují 6 nebo více vrstev, aby bylo možné splnit pravidla pro uzemnění a impedanci.