Règles de routage des PCB : largeur de trace, espacement et choix de fabrication importants

Chaque planche routée que nous voyons dans notre usine raconte une histoire sur les décisions prises avant son arrivée. Un schéma définit la fonction électrique, mais le routage décide si cette fonction peut être fabriquée à un coût raisonnable, dans un délai réaliste et avec une marge suffisante pour survivre à des années de chaleur, de vibrations et de tension. D'après notre expérience en tant que fabricant de PCB, la plupart des problèmes de production évitables (traces brûlées, dégagements défaillants, panneaux déformés, placage médiocre) remontent à une poignée de règles de routage qui ont été manquées ou mal comprises. Cet article explique ce qu'implique réellement le routage d'une carte à circuit imprimé, quels paramètres sont les plus importants et comment définir des contraintes de routage qu'une usine peut réellement construire sans contestation.

Ce qu'implique réellement le routage d'une carte de circuit imprimé

Le routage est l'étape de configuration au cours de laquelle chaque réseau électrique du schéma devient un chemin physique en cuivre. Le logiciel peut tracer ces chemins automatiquement, mais le résultat dépend des contraintes fournies par le concepteur : largeur de trace, espacement entre les conducteurs, couches autorisées, types de vias et distribution du cuivre que verra le processus de gravure et de placage.

L'itinéraire crée également les plans de référence au sol, les îlots de puissance et les chemins thermiques qui permettent à une conception de fonctionner dans le monde réel. Le placement des composants décide de l'emplacement des pièces ; le routage décide de la manière dont ils se connectent. Entre les deux, le routage a la plus grande influence sur le coût et le rendement de fabrication, car la géométrie des traces et l'équilibre du cuivre affectent directement la façon dont l'usine grave, plaque et stratifie le panneau.

Largeur de trace : la première décision d'itinéraire

La largeur de trace est le premier nombre à définir car elle comporte trois exigences à la fois : la capacité de courant, la chute de tension et l'impédance caractéristique. Les traces de signal peuvent être fines ; les filets électriques ont besoin d’une section transversale. La référence utilisée par la plupart des usines est IPC-2221. Pour 1 once (35 µm) de cuivre sur une couche externe avec une élévation de température de 10 °C, la capacité actuelle estimée est approximativement la suivante.

Deux corrections comptent en pratique. Les traces sur les couches internes dissipent environ la moitié de la chaleur que les traces externes, le tableau actuel doit donc être déclassé en conséquence. Et ces valeurs supposent une légère augmentation de 10°C ; si l'enceinte environnante bloque la circulation de l'air ou si la température ambiante est élevée, le courant de sécurité diminue encore. Lorsqu'une conception doit supporter un courant élevé et soutenu, le tracé doit utiliser une coulée de cuivre, un plan ou une couche de cuivre plus épaisse plutôt qu'une seule trace étroite. Notre ligne achemine régulièrement des planches de cuivre de 2 oz à 10 oz d'épaisseur, et les tableaux de largeur de trace pour ces poids sont très différents des valeurs de 1 oz ci-dessus.

Dégagement et espacement : définissez-les en fonction de la tension, pas seulement pour la vérification des règles de conception

Le jeu est la distance entre deux éléments en cuivre : trace à trace, trace à pastille, pastille à via. Une vérification des règles de conception vérifiera quel que soit le numéro saisi dans l'outil de CAO, mais le bon numéro provient de la tension, de l'intégrité du signal et des capacités d'usine, et non d'une règle par défaut. Pour les réseaux de signaux basse tension à l'intérieur d'un produit fermé, 0,1 mm (4 mil) entre les traces est courant ; notre capacité standard est de 4 mil, et nous pouvons contenir une trace et un espace de 3 mil là où la densité de conception l'exige.

La clairance ne doit pas être une valeur globale unique. La tension de fonctionnement, le degré de pollution, le revêtement, l'altitude et les tensions transitoires influencent tous la ligne de fuite dont un produit a besoin. IPC-2221B contient les tableaux d'espacement par rapport à la tension utilisés par les ingénieurs de conformité ; en règle pratique, tout réseau transportant plus de 50 V, ou toute trace acheminée près du bord de la carte, doit utiliser un dégagement nettement plus grand que la règle de conception par défaut.

Pour les signaux à grande vitesse, l'espacement contrôle à la fois le couplage et l'impédance. Une paire différentielle adaptée conserve son impédance cible uniquement lorsque l'écart entre les deux traces reste constant et que le plan de référence en dessous compte plus que la valeur de jeu absolue. Pour les circuits RF, une trace de 50 Ω est définie par sa largeur, l'épaisseur diélectrique et la distance jusqu'au plan de masse situé en dessous.

Empilement de couches : la densité de routage augmente les coûts et les délais de livraison

Le nombre de couches est la plus grande décision de routage prise par une conception. Si deux couches peuvent gérer la densité, un empilement de six couches représente une perte d’argent. Si la conception nécessite une alimentation et des plans de masse continus, un contrôle strict de l'impédance ou une diffusion BGA dense, l'empilement passe à quatre, six couches ou plus. Le passage de deux couches à quatre double environ le coût du processus, car l'imagerie de la couche interne, le laminage, l'alignement et des étapes de perçage supplémentaires sont ajoutés au tracé. Les délais augmentent également avec le nombre de couches. Dans notre usine située dans la zone de développement économique de Guangde, les délais de production publiés par nombre de couches sont les suivants.

L'itinéraire définit le cumul et le cumul définit la date de livraison. Si une conception ne nécessite que 12 couches parce que les couches de signaux externes sont mal utilisées, un itinéraire à quatre couches plus propre serait arrivé en une fraction du temps. Notre usine fabrique de 1 à 32 couches, et le modèle est cohérent : un routage efficace réduit les délais de livraison de manière plus fiable que n'importe quel frais d'expédition.

Règles DFM : acheminez la manière dont une usine grave, plaque et stratifié

Un itinéraire qui réussit les vérifications de la netlist et des signaux peut toujours échouer dans l'usine. La planche doit être gravée, percée, plaquée et pressée, et chaque processus a des limites géométriques. Les règles suivantes évitent les échecs répétés les plus courants.

Équilibre du cuivre et vol

Lorsqu’une zone d’une couche est solide et qu’une autre est presque vide, l’épaisseur du placage devient inégale et le laminage peut déformer le panneau. Un bon routage distribue le cuivre sur chaque couche ; là où cela est impossible, ajoutez des blocs voleurs ou du cuivre hachuré. Notre équipe de FAO ajoute le vol pendant l'outillage, mais une conception acheminée qui arrive à des passes équilibrées est examinée plus rapidement et les plaques sont plus uniformes.

Vias et anneau annulaire

Chaque via a besoin d'un anneau annulaire : l'anneau de cuivre autour du trou percé qui relie le canon à la trace. Si l'anneau est trop petit, un mauvais repérage du foret interrompt la connexion. Un anneau annulaire d'au moins 4 mil (0,1 mm) constitue une règle de travail sûre pour un traitement standard. Les vias borgnes et enterrés réduisent le nombre de couches dans les conceptions denses, mais chaque type de via ajoute des étapes de perçage et de stratification ; via-in-pad, utile sous les BGA, nécessite un remplissage et un placage supplémentaire. Les cartes HDI avec microvias forment une famille de processus distincte, que notre ligne HDI livre dans les 25 jours.

Reliefs thermiques

Lorsqu'un tampon traversant se connecte à une grande coulée de cuivre, la coulée agit comme un dissipateur thermique pendant le soudage. Sans rayons à soulagement thermique, le patin peut ne pas atteindre la température de soudure. Acheminez les plots connectés au plan avec des reliefs thermiques partout où la valeur nominale actuelle le permet.

Une liste de contrôle de routage pratique à exécuter avant d'envoyer des fichiers :

• Dimensionnez la puissance et la verse pour un courant soutenu dans le pire des cas, et non pour une charge typique.
• Utiliser des règles d'autorisation par classe de réseau ; les réseaux de signaux haute tension, haute vitesse et généraux ont rarement besoin du même espacement.
• Gardez la répartition du cuivre sur chaque couche raisonnablement uniforme et ajoutez du vol aux couches qui sont pour la plupart vides.
• Confirmez la trace/l'espace minimum, l'anneau annulaire minimum et la taille minimale du foret avec l'usine avant de finaliser le tracé.
• Placez un plan de référence solide sous chaque itinéraire à grande vitesse ou à impédance contrôlée.

Matériaux et finitions de surface qui modifient les règles de routage

Le substrat et la finition modifient les paramètres de routage autant que le circuit électrique. La norme FR-4 gère bien les cartes numériques et analogiques générales. Le FR-4 à haute Tg résiste aux défaillances CAF dans les cartes multicouches épaisses et est courant dans l'électronique automobile ; Le FR-4 sans halogène répond aux exigences environnementales ; des stratifiés haute fréquence avec Dk et Df contrôlés sont utilisés pour la RF et le numérique haute vitesse, et la largeur de trace nécessaire pour une ligne de 50 Ω change avec chaque matériau.

Les cartes à noyau métallique (à base d'aluminium ou de cuivre) conduisent la chaleur à travers le substrat, de sorte que les circuits d'alimentation peuvent emprunter des itinéraires plus étroits, mais le perçage et la gravure des noyaux métalliques suivent des règles de conception différentes. Notre gamme de produits comprend des cartes FR-4, à haute Tg, sans halogène, haute fréquence, à base d'aluminium, à base de cuivre et à base de céramique, avec des finitions de surface telles que l'OSP, le HASL sans plomb, l'or par immersion et l'étain par immersion. Le choix de la finition affecte principalement la soudabilité et la durée de conservation. Il doit donc être adapté au processus d'assemblage plutôt que traité après coup.

Itinéraire axé sur la fabrication

Le routage est l'endroit où une conception devient un objet physique, et cet objet est jugé par une usine. Les cartes expédiées à temps et fonctionnant de manière fiable sont rarement le produit de paramètres intelligents de routeur automatique ; ce sont les produits des largeurs de trace dimensionnées pour le courant, des dégagements définis pour la tension, des empilements choisis pour la densité et des détails DFM respectés dès la première passe de tracé. En cas de doute, renseignez-vous tôt : un prototype double face provenant de notre usine peut être produit en 24 heures, et une itération rapide coûte bien moins cher qu'un lot de 16 couches qui échoue au test électrique en raison d'une erreur d'espacement. Si vous avez besoin d'une recommandation d'empilement, d'un examen DFM ou d'un devis pour une carte routée de 1 à 32 couches, notre équipe d'ingénierie est prête à répondre avec des détails.