Piirilevyn johtimien leveyslaskuri: Kuinka mitoittaa johtimet virran, jännitehäviön ja impedanssin mukaan

Johdinten leveys näyttää yksinkertaiselta, mutta siinä on helppo erehtyä: liian kapea johtimen leveys ylikuumenee tai jännite laskee liikaa; liian leveä johtimen leveys hukkaa tilaa tai impedanssi muuttuu sotkuiseksi. Johdinten leveyden laskuri antaa puolustettavissa olevan lähtöarvon, mutta syötön suojuksen tunteminen erottaa luotettavan piirilevyn kuormituksen alla vikaantuvasta piirilevystä. Tämä opas vastaa varsinaisiin kysymyksiin – mikä leveys tietyllä virralla, sisäinen vs. ulkoinen, miten 50 ohmin johtimet mitoitetaan – ja näyttää, kuinka Highleap Electronics varmistaa, että leveys kestää valmistuksen.

1. Miten piirilevyn jälkileveyden laskuri toimii?

Piirilevyn juovan leveyden laskuri käyttää IPC-2221-kaavaa laskeakseen taaksepäin virrasta, sallitusta lämpötilan noususta, kuparin painosta ja kerroksesta pienimpään juovan leveyteen. Virta on hallitseva syöte – vaadittu pinta-ala kasvaa jyrkästi sen mukana – kun taas lämpötilan nousulla on paljon vähemmän vaikutusta, joten korkeamman sallitun lämpötilan tavoittelu ei tuo juurikaan lisäkapasiteettia. Syötteet:

• Nykyinen – suurin jatkuva virta, jota johdin kuljettaa.
• Sallittu lämpötilan nousu – 10 °C on varovainen tavoite; esimerkeissä käytetään usein 30 °C:ta. Alhaisempi nousu tarkoittaa leveämpää käyrää.
• Kuparin paino – tyypillisesti 1 g tai 2 g; raskaampi kupari kuljettaa saman virran kapeammassa leveydessä.
• Kerros (ulompi vai sisempi) – sisäjohtimien leveys on suunnilleen kaksinkertainen samaa virtaa varten.

Kaksi tulkintahuomautusta estävät virheet: kaava perustuu paljaan jäljen testidataan ja on optimistinen ruuhkaisille todellisille piirilevyille, joten lisää marginaali jatkuville tehojohtimille; ja tulos on minimi, ei tavoite – leveämmästä tehojohtimesta on harvoin haittaa, mutta liian kapeasta on todellista haittaa. Kun vaadittu leveys on epäkäytännöllinen, askel kohti raskas kuparipiirilevy on usein puhtaampi. Tässä on olennaisia ​​tietoja siitä, miten virranjohtimet kulkevat PCB-jäljityspohjamaali.

2. Minkä leveyden johdinjohdon tarvitsen 1, 3 tai 5 ampeerille?

Ulkokerroksen 1 unssin kuparille konservatiivisella 10 °C:n lämpötilan nousulla 1 A tarvitsee noin 0.5 mm (20 mil), 3 A noin 1.8 mm (70 mil) ja 5 A noin 3.3 mm (130 mil). Täydellinen kaavio on lähtökohta IPC-2221-standardin mukaisesti, eikä se korvaa laskelmaa omaa lämpötilatavoitettasi vasten; sisäkerroksen käyrille tarvitaan suunnilleen kaksinkertainen määrä:

Leveys kasvaa nopeasti virran mukana. Muutaman ampeerin jälkeen yksittäinen kisko tulee epäkäytännölliseksi, ja kuparivalu, tasomainen johdin tai paksumpi kupari on oikea ratkaisu – suurvirtakiskot eivät kuulu ohuille raiteille, joihin omistetut kiskot sopivat. raskaan kuparin virtakapasiteetin suunnittelu pitää ne viileinä.

3. Sisäisen ja ulkoisen jäljen leveys: miksi sisäjäljet ​​ovat leveämpiä

Sisäisen johtimen leveys on suunnilleen kaksinkertainen ulkoiseen johtimeen verrattuna saman virran kuljettamiseen, koska se on laminaatin sisällä eikä voi luovuttaa lämpöä ilmaan. IPC-2221 käyttää tästä syystä eri vakioita näissä kahdessa tapauksessa – ulompi johdin jäähtyy konvektion kautta ilmaan, kun taas sisempi johdin on lämpöeristetty ja varastoi enemmän lämpöä samalla leveydellä.

Käytännössä tämä tarkoittaa, että ulkokerrokselle validoitu leveys voi ylikuumentua hiljaisesti, jos sama verkko reititetään monikerroslevyn sisäkerrokselle. Kun siirrät tehoa kerrosten välillä, mittaa sisäkerroksen kotelo ja rinnasta useita läpivientejä jokaisessa siirtymässä, jotta kerroksen vaihdosta ei tule kuumaa pullonkaulaa.

4. 50 ohmin kontrolloidun impedanssin omaavan johdinjohtimen mitoitus

Mitoita 50 ohmin johdin pinokaaviosta, älä virtalaskurista: sen leveys riippuu sen alla olevan dielektrisen kerroksen paksuudesta, kuparin painosta ja laminaatin dielektrisyysvakiosta. Suurnopeus- ja radiosignaalit mitoitetaan impedanssin mukaan – yleensä 50 ohmia yksipäisinä tai differentiaalijohtimina esimerkiksi 90 tai 100 ohmin kohdeimpedanssilla – eikä virtaan perustuva leveys yksinkertaisesti päde.

Tästä on kaksi seurausta. Ensinnäkin impedanssiohjattua leveyttä ei voida valita erikseen; se on lukittu pinoamiseen, joten nopea pinoaminen on päätettävä ennen impedanssin geometriaa. Toiseksi valmistajan on rakennettava geometria tarkasti, jotta impedanssi tulee ulos oikein, mikä tarkoittaa, että kontrolloidun impedanssin omaavista juovista on sovittava piirilevyn valmistajan kanssa käyttäen asianmukaisia impedanssin ohjaus käsittely.

5. Yleisiä piirilevyn jälkileveyden virheitä

Yleisimmät juovan leveyden virheet ovat yhden oletusleveyden käyttäminen kaikessa, sisäkerroksen rangaistuksen huomiotta jättäminen, jännitehäviön unohtaminen ja signaalijälkien mitoitus virran mukaan impedanssin sijaan. Jokaiseen on yksinkertainen korjaus:

• Yksi oletusleveys kaikelle – sopii signaaleille, vaarallisen kapea teholle. Mitoita tehonjäljet ​​niiden virtaan.
• Sisäkerroksen rangaistuksen huomiotta jättäminen – riittävän leveä ulkopuoli voi ylikuumentua sisäkerroksen kohdalla, jonka on oltava noin kaksinkertainen.
• Jännitehäviön unohtaminen – viileä kisko voi silti pudottaa liikaa jännitettä matalajännitteisessä ja korkeavirtaisessa kiskossa. Koko sekä lämmön että pudotuksen suhteen, osa hyvää lämmönhallinta.
• Signaalijälkien mitoitus virralle – suurnopeusjuovat tarvitsevat impedanssiin perustuvia leveyksiä, jotka on sidottu pinoamiseen, eivät IPC-2221-virran leveyksiä.
• Leveyksien määrittäminen hienommaksi kuin prosessi pystyy rakentamaan – varmista vähimmäisleveys ja -välit valmistajan kanssa.

6. Kestääkö jälkileveys valmistuksen?

Piirretty leveys ei ole täysin sama kuin saamasi leveys – syövytys poistaa hieman kuparia jokaisen johtimen reunoilta, joten valmis johtimesta tulee hieman suunniteltua kapeampi, ja paksumpi kupari laajentaa tätä toleranssia. Tiukoissa tehojohtimissa tämä siirtää virtakapasiteettia ja jännitehäviötä väärään suuntaan; impedanssisäädellyissä johtimissa se voi siirtää impedanssia. Kun leveys on kriittinen kummassakin suunnassa, varmista suunnitteluaikomus valmistajan kanssa.

Esivalmistelu suunnittelun valmistusta varten tarkastus varmistaa, että johtimien leveydet ja välit ovat prosessin rajoissa, että tehojohtimet täyttävät virta- ja jännitehäviötarpeensa syövytyksen jälkeen ja että kontrolloidun impedanssin johtimet sopivat koottavaan pinoon. Highleap vie sitten levyn läpi paksukuparivalmistus ja kokoonpano, runsaasti kuparia sisältävillä vaihtoehdoilla suurvirtarakenteisiin sekä kontrolloidun impedanssin prosessointiin ja testaukseen suurnopeuspiireille. Kun pyydät tarjousta, ilmoita kuparin paino, tehojohtimien maksimivirta, mahdolliset jännitehäviölle herkät kiskot ja mahdolliset kontrolloidun impedanssin vaatimukset tavoitearvoineen ja pinoutumiskerroineen.

Lainaa tauluani

7. Piirilevyn jälkileveyden usein kysytyt kysymykset

Minkä leveyden johdinjohtoa tarvitsen yhdelle ampeerille?

Ulkokerroksen 1 unssin kuparikerroksella varovaisella 10 °C:n lämpötilan nousulla tarvitaan noin 0.5 mm (noin 20 mil). 2 unssin kuparikerroksella noin puolet tästä. Sisäkerroksen johtimien tarvitsema paksuus on suunnilleen kaksinkertainen samaa virtaa varten.

Miksi sisäisten jälkien pitää olla leveämpiä kuin ulkoisten?

Sisäiset johtimet on ympäröity laminaatilla, eivätkä ne voi luovuttaa lämpöä ilmaan, joten ne tarvitsevat suunnilleen kaksinkertaisen leveyden ulkoiseen johtimeen verrattuna kuljettaakseen saman virran samalla lämpötilan nousulla.

Miten mitoitan juovan impedanssin mukaan virran sijaan?

Impedanssisäädelty leveys määräytyy dielektrisen paksuuden, kuparin painon ja materiaalin dielektrisyysvakion mukaan, joten se on sidottu pinoamiseen. Päätä ensin pinoaminen, tee laskelmat sen pohjalta ja vahvista rakenne valmistajan kanssa.

Pitäisikö teho- ja signaalijohtimien olla saman levyiset?

Ei. Tehojohtimet mitoitetaan virran ja jännitteen laskun mukaan, ja ne ovat usein paljon leveämpiä; signaalijohtimet taas mitoitetaan reititystä tai suurnopeuslinjoilla impedanssia varten. Yhden oletusleveyden käyttäminen molemmissa on yleinen ylikuumenemisen syy.

Voiko Highleap rakentaa vahvasti kuparisia ja kontrolloiduilla impedanssilla varustettuja piirilevyjä?

Kyllä. Highleap tarjoaa paksua kuparia suurvirtasuunnitteluun sekä kontrolloidun impedanssin prosessointiin ja testaukseen suurnopeuspiireille. Valmistettavuustarkastus varmistaa, että johtimien leveydet kestävät valmistusta.