Instradamento PCB ad alta velocità
Esistono due metodi per il routing dei PCB: routing automatico e routing interattivo. Prima del routing automatico, è possibile utilizzare il routing interattivo per pre-instradare le tracce con requisiti più rigorosi. Le tracce di ingresso e uscita dovrebbero evitare il routing parallelo adiacente per prevenire interferenze di riflessione. Quando necessario, si dovrebbero aggiungere piani di massa per l'isolamento. Il routing su livelli adiacenti dovrebbe essere perpendicolare tra loro, poiché il routing parallelo può facilmente causare accoppiamenti parassiti.
Il tasso di successo del routing automatico dipende da un layout ben progettato. È possibile definire regole di routing predefinite, tra cui il numero di curve di traccia, vie e step.
In genere, il routing esplorativo viene eseguito per primo per connettere rapidamente tracce brevi. Segue il routing labirinto, che ottimizza i percorsi di routing complessivi per tutte le connessioni. Può interrompere le tracce esistenti secondo necessità e tenta di reindirizzarle per migliorare le prestazioni complessive.
1. Gestione della linea di alimentazione e di terra
Anche con un routing eccellente lungo l'intero PCB, le interferenze causate da considerazioni inadeguate sulle linee di alimentazione e di terra possono degradare le prestazioni del prodotto e talvolta persino influire sui tassi di rendimento. Pertanto, il routing delle linee di alimentazione e di terra deve essere gestito con la massima cura per ridurre al minimo le interferenze e garantire la qualità del prodotto.
Ogni progettista elettronico conosce le cause del rumore tra le linee di alimentazione e quelle di terra. Qui ci concentreremo esclusivamente sui metodi di riduzione e soppressione del rumore:
(1) È noto che è necessario aggiungere condensatori di disaccoppiamento tra le linee di alimentazione e di terra.
(2) Massimizzare la larghezza delle tracce di alimentazione e di terra, idealmente rendendo le tracce di terra più larghe di quelle di alimentazione. L'ordine di priorità è: tracce di terra > tracce di alimentazione > tracce di segnale. Le larghezze tipiche delle tracce di segnale variano da 0,2 a 0,3 mm, con larghezze minime che raggiungono 0,05-0,07 mm. Le tracce di alimentazione dovrebbero essere larghe da 1,2 a 2,5 mm.
Per i PCB dei circuiti digitali, è possibile formare un ampio piano di massa utilizzando conduttori larghi per creare una rete di massa (le masse dei circuiti analogici non possono essere utilizzate in questo modo).
(3) Utilizzare un piano di massa in rame di grandi dimensioni. Collegare a terra le aree non utilizzate del circuito stampato come piano di massa. In alternativa, utilizzare una scheda multistrato in cui l'alimentatore e la massa occupano ciascuno uno strato separato.
2. Considerazioni sulla messa a terra per circuiti a segnale misto
Molti PCB moderni non contengono più circuiti puramente digitali o analogici, ma integrano entrambi i tipi. Pertanto, il routing deve tenere conto delle interferenze reciproche, in particolare del rumore sui piani di massa.
I circuiti digitali operano a frequenze più elevate, mentre i circuiti analogici presentano una maggiore sensibilità. Per le linee di segnale, le tracce ad alta frequenza devono essere instradate il più lontano possibile dai componenti analogici sensibili. Per quanto riguarda i piani di massa, l'intero PCB presenta un solo punto di connessione esterno. Pertanto, la messa a terra condivisa dei componenti digitali e analogici deve essere gestita internamente sul PCB. All'interno della scheda, le masse digitali e analogiche sono fisicamente separate e non interconnesse, tranne che nei punti di interfaccia esterni del PCB (ad esempio, i connettori). Le masse digitali e analogiche condividono un unico punto di connessione. Alcuni sistemi possono optare per masse isolate, determinate dalla progettazione del sistema.
3. Instradamento delle linee di segnale sui piani di alimentazione (terra)
Durante il routing su PCB multistrato, lo spazio limitato inutilizzato sui piani di segnale implica che l'aggiunta di strati aggiuntivi comporta spreco di materiale, aumento della complessità di produzione e aumento dei costi. Per risolvere questo problema, si può prendere in considerazione il routing sui piani di alimentazione (di massa). Dare priorità ai piani di alimentazione, quindi a quelli di massa, poiché il mantenimento dell'integrità del piano di massa è ottimale.
4. Gestione delle gambe di connessione nei conduttori di grande area
Nelle applicazioni di messa a terra (elettriche) su grandi superfici, le gambe dei componenti sono comunemente collegate a queste. Il trattamento di queste gambe di collegamento richiede un'attenta valutazione. Dal punto di vista delle prestazioni elettriche, il contatto completo tra le piazzole delle gambe dei componenti e la superficie in rame è l'ideale. Tuttavia, questo approccio presenta potenziali svantaggi per la saldatura e l'assemblaggio dei componenti:
① La saldatura richiede riscaldatori ad alta potenza.
② Porta facilmente a giunti di saldatura freddi.
Pertanto, per bilanciare le prestazioni elettriche e i requisiti di produzione, vengono utilizzati pad a forma di croce, denominati scudi termici o pad termici. Questa progettazione riduce significativamente la probabilità di giunti di saldatura freddi causati da un'eccessiva dispersione di calore durante la saldatura. Lo stesso approccio si applica al collegamento dei pin sul piano di massa delle schede multistrato.
5. Il ruolo dei sistemi di rete nel routing
In molti sistemi CAD, il routing è determinato dai sistemi di rete. Griglie eccessivamente dense aumentano i percorsi di routing, ma comportano passi troppo piccoli e un volume di dati eccessivo nel campo di disegno. Ciò richiede inevitabilmente una maggiore capacità di archiviazione delle apparecchiature e influisce significativamente sulla velocità di elaborazione dei computer host e dei prodotti elettronici. Alcuni percorsi diventano ridondanti, come quelli occupati dalle impronte dei pad dei componenti, dai fori di montaggio o dalle caratteristiche di montaggio. Al contrario, griglie eccessivamente sparse riducono drasticamente i percorsi di routing, influenzando gravemente le percentuali di successo del routing. Pertanto, un sistema di griglie ragionevolmente denso è essenziale per supportare il routing.
La distanza standard tra i pin di un componente è di 0,1 pollici (2,54 mm). Di conseguenza, la base del sistema di griglia è in genere impostata su 0,1 pollici (2,54 mm) o su un multiplo intero inferiore a 0,1 pollici, ad esempio 0,05 pollici, 0,025 pollici o 0,02 pollici.
6 Controllo delle regole di progettazione (DRC)
Dopo aver completato la progettazione del routing, è essenziale verificare attentamente che il routing rispetti le regole stabilite dal progettista. Allo stesso tempo, è necessario confermare che tali regole soddisfino i requisiti del processo di produzione del circuito stampato. Gli aspetti più comuni dell'ispezione includono:
① Se la spaziatura tra tracce, tra tracce e pad dei componenti, tra tracce e via, tra pad dei componenti e via e tra via è ragionevole e soddisfa i requisiti di produzione.
2. Verificare che le tracce di alimentazione e di terra abbiano una larghezza adeguata e che siano strettamente accoppiate (bassa impedenza). Identificare le aree sul PCB in cui le tracce di terra possono essere allargate.
3. Se sono state adottate misure ottimali per le tracce del segnale critico, come la riduzione al minimo della lunghezza, l'aggiunta di tracce di schermatura e la netta separazione delle tracce di ingresso e di uscita.
④ Le sezioni dei circuiti analogici e digitali hanno piani di massa indipendenti?
⑤ La grafica aggiunta dopo il layout (ad esempio icone, annotazioni) rischia di causare cortocircuiti nel segnale?
⑥ Sono state modificate le geometrie delle tracce non ottimali?
⑦ Sono state aggiunte linee di processo al PCB? La maschera di saldatura soddisfa i requisiti di produzione? Le dimensioni della maschera di saldatura sono appropriate? Le marcature dei caratteri si sovrappongono alle piazzole dei componenti, compromettendo potenzialmente la qualità dell'assemblaggio?
⑧ I bordi esterni dei piani di alimentazione/massa sulle schede multistrato sono incassati? La lamina di rame esposta su questi piani rischia di causare cortocircuiti.
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