Transforme seu design de PCB com estas 31 dicas essenciais de roteamento

Introdução

O que exatamente é roteamento de PCB e por que ele é crucial no mundo do design eletrônico? Esta questão surge frequentemente entre profissionais e entusiastas que se aprofundam no domínio da fabricação de PCB e IC. Roteamento de PCB é o processo de conexão de vários componentes em uma placa de circuito impresso (PCB) ou em circuitos integrados (ICs). É uma etapa crítica que segue o posicionamento dos componentes, onde é determinado o posicionamento preciso de cada componente. A eficácia do roteamento de PCB impacta diretamente o desempenho, a confiabilidade e a capacidade de fabricação de dispositivos eletrônicos. Neste artigo, exploramos os meandros do roteamento de PCB e fornecemos insights práticos para otimizar seu design de PCB.

Técnicas e dicas de roteamento de PCB

• Considerações sobre comprimento de rastreamento

Um dos aspectos fundamentais do roteamento PCB é a consideração do comprimento do traço. É essencial incluir o comprimento do vias e os comprimentos de almofadas de pacote em seus cálculos. Esta abordagem abrangente para medir o comprimento do traço é crucial porque afeta o Integridade do Sinal e tempo do circuito. Medições imprecisas do comprimento do traço podem levar a atrasos e reflexões de sinal, impactando o desempenho geral do PCB. Portanto, a precisão na contabilização de cada parte do traço, incluindo as vias e os pads, é importante. vital para um design ideal de PCB.

• Pesca de rastreamento ideal

A inclinação dos traços no design de PCB é outro fator crítico. Optando por um Ângulo de 135 graus quando traçados de roteamento são preferidos a ângulos arbitrários, como angulação inadequada pode levar a complicações de fabricação. Os ângulos retos ajudam reduzindo a reflexão do sinal e as alterações de impedância, garantindo melhor integridade do sinal e reduzindo o potencial de problemas de gravação durante a fabricação. É um detalhe aparentemente pequeno que pode ter implicações significativas para a qualidade e capacidade de fabricação do PCB.

• Evitando ângulos agudos no roteamento de rastreamento

Ao projetar traços de PCB, é crucial evitar ângulos retos ou agudos. Cantos agudos podem causar alterações indesejadas na largura e impedância do traço, o que pode causar reflexão do sinal e, consequentemente, problemas de integridade do sinal. Essas reflexões podem resultar em crosstalk e interferência eletromagnética, potencialmente perturbando o desempenho do circuito. Conforme descrito abaixo, a prática recomendada é usar traços curvos ou ângulos de 45 graus para garantir uma transição mais suave para os sinais, o que ajuda mantenha uma impedância consistente e reduza o risco de degradação do sinal.

• Roteamento de rastreamento adequado a partir de blocos

Ao rotear traços dos blocos de componentes, é importante comece do lado longitudinal da almofada em vez do lado transversal ou dos cantos. Idealmente, os traços devem sair das plataformas de uma forma que evite mudanças bruscas de direção, com uma folga recomendada de pelo menos 6 milhas da borda do bloco até o canto do traço. Esta prática ajuda a minimizar o estresse nas juntas de solda e reduz o risco de problemas de corrosão durante a fabricação. A abordagem correta para roteamento a partir de pads não apenas facilita um melhor processo de montagem, mas também contribui para a longevidade e confiabilidade da PCB.

• Estratégia de conexão para placas de solda adjacentes

Para blocos adjacentes que pertencem à mesma rede, uma conexão direta deve ser evitada. Em vez disso, o os traços devem se estender para fora das almofadas antes de conectar. Esta abordagem evita a formação de pontes de solda durante a soldagem manual, o que poderia levar a curto circuitos. Por estendendo os traços primeiro, há mais espaço para trabalhar, reduzindo o risco de erros de soldagem e garantindo um conexão mais limpa e confiável.

• Roteamento Simétrico para Componentes de Pequenos Chips

A simetria no roteamento de rastreamento é particularmente importante ao lidar com pequenos componentes de chip. É crucial garantir que o traços em ambas as extremidades de um componente mantêm largura consistente. Se um pino estiver conectado a um derramar cobre, o pino oposto deverá ter um layout semelhante. Esse o roteamento balanceado ajuda a evitar que o componente se desloque ou gire durante o processo de soldagem, qual é vital para manter a integridade da montagem do PCB.

• Aterramento e Colocação de Vias GND

Para sinais que requerem aterramento, é imperativo manter a integridade do plano de aterramento. É recomendado coloque vias GND (terra) estrategicamente ao longo das linhas de terra. O a distância entre duas vias GND não deve ser muito grande; idealmente, deve estar dentro da faixa de 50-150 milhas. O posicionamento adequado das vias GND garante um plano de aterramento forte e contínuo, qual é crucial para a integridade do sinal e minimizando a interferência eletromagnética. A imagem abaixo ilustra o práticas preferidas de aterramento para sinais que exigem uma referência de aterramento.

• Garantindo uma camada de referência contínua para roteamento de sinal de alta velocidade

Traços de sinal de alta velocidade requerem um plano de referência contínuo e ininterrupto para manter a integridade do sinal. É crucial evite o roteamento de sinal entre diferentes zonas onde o plano de referência pode ser interrompido. Para sinais de alta velocidade, recomenda-se que o traçado mantenha uma distância mínima de 40 mils da borda do plano de referência. Isso ajuda a prevenir problemas como descontinuidades de impedância e reflexões de sinal que pode degradar o desempenho do circuito. A imagem ao lado demonstra o práticas de roteamento ideais para sinais de alta velocidade, garantindo que eles permaneçam dentro de um plano de referência contínuo para desempenho ideal.

• Controle de impedância para blocos de dispositivos de montagem em superfície (SMD)

As almofadas de dispositivos montados em superfície (SMD) podem causar uma redução na impedância, o que pode levar a descontinuidades de impedância que afetam a integridade do sinal. Para mitigar esse problema, é aconselhável remover uma camada do plano de referência diretamente abaixo dos pads SMD, combinando com o tamanho dos pads. Esta técnica ajuda a minimizar a mudança abrupta na impedância. Componentes SMD comuns que se beneficiam desta prática incluem capacitores, supressores de ESD, bobinas de modo comum e conectores. A imagem abaixo ilustra a modificação recomendada no plano de referência sob os blocos SMD para melhor controle de impedância.

• Minimizando a área de loop no roteamento de sinal

No projeto de PCB, é fundamental minimizar a área de loop formada por traços de sinal e seus caminhos de retorno. Uma área de loop menor reduz a radiação eletromagnética emitida pelo traço e também diminui a suscetibilidade do circuito a interferências externas. Conforme mostrado na imagem abaixo, o método de roteamento correto envolve tornar o caminho do sinal o mais direto possível, minimizando assim a área do loop. Esta prática não apenas melhora a integridade do sinal, mas também melhora a compatibilidade eletromagnética geral (EMC) do PCB.

• Minimizando stubs no roteamento de PCB

Ao rotear PCBs, é imperativo evitar a criação de stubs. Um stub, que é um segmento não conectado de um traço, pode atuar como uma antena indesejada, introduzindo reflexões e degradação do sinal. É melhor projetar traços de modo que o o comprimento do stub é efetivamente zero. Além disso, o efeito por meio de esboços—resquícios de um traço deixado em uma via após um sinal trocar de camada —devem ser considerados, especialmente quando o comprimento do stub excede 12 milhas. Nesses casos, é aconselhável avaliar o impacto dos via stubs na integridade do sinal por meio de simulação. Técnicas como retroperfuração pode ser usado para remover o excesso através do material do stub e preservar a integridade do sinal. As imagens abaixo fornecem um guia visual sobre como evitar stubs no projeto de PCB, tanto em traços quanto em vias.

• Evitando a formação de loops em diferentes camadas

Em projetos de PCB multicamadas, é crucial evite criar loops com traços em diferentes camadas. Esses loops podem atuar como antenas, causando potencialmente interferência radiativa que pode perturbar a funcionalidade do circuito. Garantir que os traços sejam roteados para evitar a formação de loop é uma consideração importante no projeto, especialmente ao lidar com sinais de alta frequência onde o potencial de interferência é maior. A imagem abaixo demonstra como rotear os traços corretamente para evitar a formação de loops e minimizar o risco de interferência radiativa.

• Colocação de pontos de teste em sinais de alta velocidade

Para rastreamentos de sinais de alta velocidade, geralmente é recomendado abster-se de colocar pontos de teste. Os pontos de teste podem introduzir descontinuidades e incompatibilidades de impedância, o que pode levar a problemas de integridade do sinal, como reflexões e atenuação. Em aplicações de alta velocidade, mesmo pequenas descontinuidades podem interromper significativamente a transmissão do sinal, portanto, manter um traçado suave e consistente sem pontos de teste é crucial para preservar a qualidade do sinal.

• Blindagem para sinais sensíveis ou propensos a interferências

Sinais propensos a interferências ou particularmente sensíveis, como sinais de radiofrequência (RF), exigem um planejamento cuidadoso para blindagem. A implementação de uma blindagem, normalmente com uma largura de pelo menos 40 mils (embora seja aconselhável manter um mínimo de 30 mils e possa ser confirmado com o fabricante), pode reduzir significativamente a interferência. Além disso, a colocação de numerosas vias de aterramento na blindagem pode aumentar sua eficácia, garantindo uma conexão sólida ao plano de aterramento e melhorando a qualidade da soldagem.

• Largura de rastreamento uniforme na mesma rede

Manter uma largura de traço uniforme dentro da mesma rede é fundamental para uma impedância característica consistente. Variações na largura do traço podem causar impedância irregular, levando a reflexões de sinal, especialmente em velocidades de transmissão mais altas. Embora certas condições, como saídas de conectores ou pacotes Ball Grid Array (BGA), possam exigir alterações na largura do traço devido ao espaço limitado, é importante minimizar o comprimento de qualquer seção onde a largura do traço não seja consistente. Isso ajuda a reduzir o impacto na integridade do sinal.

• Larguras de rastreamento para pinagens IC

Para traços que saem de Pinos de circuito integrado (IC), o a largura do traço deve ser menor ou igual à largura do bloco. É crucial evitar que a largura do traço seja maior que a largura da almofada para evitar problemas de soldagem e garantir a integridade da conexão elétrica. Para certos sinais que exigem traços mais largos devido a maior capacidade de carga atual, os traços podem ser ampliados aproximadamente 6-10 mils além da almofada para acomodar o aumento da corrente sem comprometer a conexão. Essa prática garante que o rastreamento possa lidar com a corrente necessária, mantendo ao mesmo tempo uma conexão robusta com o bloco IC.

• Rastrear Conexões para Pads e Vias

É fundamental que os traços devem se conectar ao centro dos blocos e vias. Essa precisão garante soldagem confiável e desempenho elétrico. Qualquer desalinhamento pode levar a juntas de solda fracas ou até mesmo a circuitos abertos, que são prejudiciais à funcionalidade do PCB. Ao direcionar o centro dos blocos e vias, os projetistas podem evitar esses problemas e manter a integridade das conexões do circuito.

• Distância de fuga para sinais de alta tensão

Para sinais de alta tensão, garantindo adequada distância de fuga é essencial para manter a segurança e evitar falhas elétricas. A fuga é o caminho mais curto entre duas partes condutoras, ou entre uma parte condutora e a superfície delimitadora do equipamento, medido ao longo da superfície do isolamento. O específico requisitos de distância de fuga variam com base nos níveis de tensão e nas condições de uso, mas são essenciais para o cumprimento dos padrões de segurança.

Os parâmetros para distâncias de fuga são os seguintes:

• Topologia de roteamento para vários chips DDR ou de memória

Em projetos que incorporam vários Módulos DDR ou outro chips de memória, é essencial confirmar a topologia de roteamento. A topologia refere-se ao layout físico das interconexões entre os componentes de memória, o que pode afetar significativamente o desempenho e a estabilidade. Os projetistas devem garantir que haja um documento de referência ou um padrão a seguir que defina a estratégia de roteamento ideal para esses componentes, considerando fatores como correspondência de comprimento de rastreamento e integridade do sinal. Ter uma topologia de roteamento bem planejada é crucial para o correto funcionamento das interfaces de memória, especialmente em aplicações de alta velocidade onde o tempo e a qualidade do sinal são fundamentais.

• Liberação para regiões Gold Finger em PCBs multicamadas

Em projetos de PCB multicamadas, o regiões de dedo de ouro—as áreas da PCB que fazem contato com os conectores—requerem atenção especial. É necessário criar uma folga removendo o cobre (conhecido como “janela” ou “fenda”) abaixo dos dedos de ouro em todas as camadas. Essa folga evita curto-circuito e garante que os dedos dourados façam conexões confiáveis. A área de cobre removida geralmente deve estender-se pelo menos 3mm além da borda da PCB para garantir que não haja interferência com a estrutura ou caixa da placa. A folga adequada é crucial para a funcionalidade e para evitar danos durante a inserção ou uso.

• Planejamento Estratégico para Roteamento em Locais com Gargalos

Ao projetar um PCB, é crucial planejar estrategicamente para locais de gargalo dentro dos canais de roteamento. Estas são áreas onde o caminho se estreita, limitando potencialmente o espaço disponível para vestígios. Planeamento antecipado das secções mais estreitas do canal pode garantir que a largura e o espaçamento do traço sejam adequados aos requisitos do sinal, evitando problemas como diafonia e incompatibilidade de impedância. O planejamento adequado ajuda a manter a integridade do sinal e reduz a necessidade de revisões posteriores do projeto.

• Colocação de capacitores de acoplamento

Para desempenho ideal no design de PCB, os capacitores de acoplamento devem ser colocados o mais próximo possível dos conectores eles estão associados. Esta proximidade minimiza a área do loop e, assim, reduz a interferência eletromagnética (EMI). Também garante que qualquer ruído presente nas linhas de sinal seja rapidamente desviado para o terra antes que possa afetar outras partes do circuito. O posicionamento estratégico de capacitores de acoplamento é uma consideração importante no projeto de circuitos de alta velocidade para manter a integridade do sinal e minimizar possíveis problemas de ruído.

• Colocação de resistores em série e de terminação

No projeto de PCB, resistores em série deve ser colocado perto do dispositivo de transmissão, enquanto resistores de terminação estão melhor posicionados perto da extremidade receptora. Por exemplo, recomenda-se que os resistores em série em um sinal de clock eMMC estejam localizados dentro de 400 milhas da CPU. Esse posicionamento garante que a integridade do sinal seja mantida, combinando a impedância e minimizando os reflexos, o que é crítico para os sinais de alta velocidade normalmente encontrados em interfaces de memória e processador.

• Aterramento via colocação para almofadas IC

Recomenda-se colocar pelo menos uma via de aterramento em cada bloco de aterramento de ICs, como chips de memória eMMC ou FLASH. Esta prática efetivamente encurta o caminho de retorno para sinais, o que é vital para manter a integridade do sinal e reduzir a interferência eletromagnética (EMI). O aterramento adequado por meio de posicionamento pode melhorar significativamente o desempenho elétrico de circuitos digitais de alta velocidade, fornecendo um caminho de baixa impedância para o aterramento.

• Aterramento via posicionamento para dispositivos ESD

Para Dispositivos de proteção contra descarga eletrostática (ESD), é aconselhável colocar uma via de aterramento em cada base de aterramento. Esta configuração garante que a corrente ESD possa ser encaminhada de forma rápida e eficiente para o plano de terra, aumentando o efeito protetor. As vias de aterramento devem ser colocadas o mais próximo possível dos blocos para minimizar a indutância e a resistência do caminho para o aterramento. A imagem abaixo mostra o posicionamento recomendado de vias de aterramento para dispositivos ESD para maximizar sua eficácia.

• Considerações de roteamento em torno de componentes sensíveis

No layout do PCB, é crucial evite rotear rastros em torno de componentes confidenciais como cristais, osciladores, geradores de relógio, distribuidores de relógio, fontes de alimentação comutadas, dispositivos magnéticos e orifícios de passagem de conectores. Esses componentes são frequentemente suscetíveis a ruídos e podem ser eles próprios fontes de interferência. Os rastreamentos roteados muito próximos desses componentes podem introduzir ruídos indesejados ou ser afetados pela interferência, levando a possíveis problemas com a integridade do sinal e o desempenho do circuito. Portanto, manter uma área livre ao redor desses componentes é essencial para garantir a estabilidade e confiabilidade da PCB.

• Transição de Camada e Gerenciamento Via para Integridade de Sinal

No projeto de PCB, quando um traço de sinal muda de camada e ambas as camadas são referenciadas ao plano de aterramento, é importante colocar uma via de aterramento adjacente à via de sinal. Isto garante a continuidade do caminho de retorno e mantém a integridade do sinal. Para sinais diferenciais, tanto a via de sinal quanto a via de aterramento que a acompanha devem ser colocadas simetricamente para preservar a impedância do par diferencial e minimizar a diafonia. No caso de sinais de terminação única, colocar um aterramento de retorno próximo ao sinal via reduz a diafonia entre vias e oferece suporte à integridade do sinal.

• Folga de cobre terrestre para conectores

Ao projetar conectores PCB, é crucial garantir que o cobre terra se estenda por uma distância de pelo menos três vezes a largura do traço longe das placas de sinalização. Este espaçamento, indicado como ≥3W em termos técnicos, ajuda a evitar diafonia e interferência eletromagnética (EMI) entre o terra e as linhas de sinal, o que é vital para manter a integridade do sinal. A ilustração abaixo demonstra a distância de cobre de aterramento recomendada para conectores, um parâmetro de projeto importante para um layout de PCB robusto.

• Mantendo a integridade do avião nas regiões BGA

Para áreas sob Pacotes Ball Grid Array (BGA), é importante manter a integridade das camadas planas. Se houver uma ruptura no plano, ela deverá ser colmatada com traços ou a placa deverá ser modificada através de um processo denominado “desbaste” ou “esculpir” para garantir a continuidade. Essa prática evita comprometer a potência ou eficácia dos aviões terrestres, o que pode levar a problemas com distribuição de energia e integridade do sinal. A imagem abaixo ilustra o método correto para colmatar eventuais lacunas no plano sob as regiões BGA, o que é essencial para o bom funcionamento do PCB.

• Blindagem de aterramento em roteamento de PCB

Quando o roteamento de PCB envolve blindagem de solo, é recomendável seguir as práticas mostradas na imagem. eu representa o espaçamento entre as vias de aterramento na blindagem, e D indica a distância entre a blindagem de aterramento e os traços de sinal. Para uma blindagem eficaz, a distância D deve ser pelo menos quatro vezes a largura do traço (≥4*W). Isso garante interferência mínima da blindagem de aterramento nas linhas de sinal, mantendo a integridade do sinal em toda a PCB.

• Blindagem de aterramento para sinais de terminação única de alta velocidade

Certos críticos sinais de terminação única de alta velocidade, como sinais de relógio, linhas de reinicialização (por exemplo, emmc_clk, emmc_datastrobe, RGMII_CLK), devem ser blindadas com um traço de aterramento. É aconselhável colocar um aterramento pelo menos a cada 500 milhas ao longo da blindagem de aterramento para garantir um caminho eficaz de baixa impedância para o aterramento. Essa prática ajuda a minimizar o ruído e a preservar a integridade do sinal para esses sinais sensíveis de alta velocidade. A imagem abaixo mostra o posicionamento recomendado de vias de aterramento ao longo da blindagem de aterramento para tais sinais.

Conclusão

Nossa jornada pelos fundamentos do design de PCB foi enriquecida pelos insights fornecidos por Huowa de Zhihu. Com a permissão de Huowa, adaptamos seu conselho especializado para se adequar à nossa narrativa, com o objetivo de compartilhar com você um guia claro e prático.