Общие вопросы трассировки печатных плат

Перед тем как приступить к этапу трассировки необходимо загрузить список цепей и проект библиотеки с посадочными местами в редактор печатных плат, сформировать контур печатной платы, выполнить компоновку. Кроме того, важным этапом предшествующим компоновке и трассировке является настройка редактора печатных плат. Далее рассмотрим этот вопрос подробнее на примере САПР Altium Designer.

Прежде всего, необходимо определить правила проектирования печатных плат. На рисунке 1 приведены все доступные правила проектирования.

Как правило, конструктор применяет те из них, которые оказывают влияние на интерактивную трассировку, которая применяется как эффективный метод реализации топологии. Именно интерактивная трассировка, по сравнению с ручной трассировкой, позволяет в режиме «реального времени» отслеживать прокладку печатных проводников в соответствии с заданными настройками в редакторе правил проектирования. Следует отметить, что правила проектирования печатных плат должны соответствовать определенному классу точности печатной платы, требованиям технического задания, а также технологическим требованиям предприятия-изготовителя, на котором будет реализована спроектированная печатная плата.

В первой группе - Electrical (электрические), расположены правила, учитывающие электрическое соединение компонентов. Для интерактивной трассировки для этой группы представляет интерес правило Clearance (Зазоры) – см. рисунок 2. Здесь задаются минимально допустимые зазоры для заданного класса точности между конструктивными элементами печатной платы. Так для простой (simple) настройки это: зазоры между проводниками (Track to Track), зазоры между планарной контактной площадкой и проводником (SMD Pad to Track), зазоры между планарной контактной площадкой сквозного отверстия и проводником (TH Pad to Track), зазоры между сквозным отверстием и проводником (Via to Track) и так далее.

Во второй группе - Routing , расположены правила, которые в большей степени учитываются при интерактивной трассировке. Это, прежде всего, настройка правил для ширины печатного проводника - Width (см. рисунок 3). Здесь задаются минимальное, максимальное и рекомендованное значения. При интерактивной трассировке автоматически берется рекомендованное значение, тем не менее, в процессе трассировки можно переключаться на другую ширину печатного проводника из заданного в правилах диапазона.

Также необходимо настроить стиль переходных отверстий – Routing Via Style (см. рисунок 4). Здесь, аналогично правилам Width, задаются минимальное, максимальное и рекомендованное значения диаметра отверстия и его контактной площадки.

Кроме того, необходимо настроить правило для угла изгиба проводников Routing Corners (см. рисунок 5).

Если в проекте имеются дифференциальные цепи, то следует задать правила проектирования и для них в подгруппе Differential Pairs Routing (см. рисунок 6).

После настройки правил проектирования можно приступить к компоновке электронных компонентов в пределах контура (габаритов печатной платы), а затем к трассировке.

Как правило, в списке цепей, загруженных в редактор печатных плат, могут присутствовать: сигнальные цепи, цепи питания (VCC), аналоговой «земли» (AGND), цифровой «земли» (DGND), дифференциальные цепи, DDR-цепи. Рекомендуется сначала осуществлять трассировку сложных цепей, таких как дифференциальные цепи, DDR-цепи. Далее следует трассировать сигнальные цепи, а затем цепи питания и земли, которым отводятся отдельные слои (как правило, внутренние), выполненные в виде медных полигонов.

Ниже приводится перечень рекомендаций по трассировке печатных плат:

1. Принцип минимизации длины соединений. Сигнальные проводники выполняйте максимально короткими.
2. При переходе со слоя на слой, размещайте горизонтальные проводники на одной стороне печатной платы, а вертикальные на другой, либо соблюдайте этот принцип в местах пересечения проводников угол пересечения 90 градусов, проводники на верхней стороне печатной платы не должны выполняться параллельно проводникам на противоположной стороне).
3. Ширину печатного проводника выполняют в зависимости от протекающего тока. Для слаботочных аналоговых и цифровых цепей их выполняют, как правило, шириной 0,25 мм, что соответствует 3 классу точности печатных плат. Для цепей, по которым течет ток больше 0,3 А, ширину проводников следует увеличить. При выборе ширины сигнального печатного проводника используют правило 3/4: ширина проводника, подключаемого к контактной площадке не должна превышать ширину контактной площадки умноженную на 0,75. Для силовых цепей правило 3/4 можно не применять и использовать большую ширину печатного проводника.
4. Правильно располагайте переходные отверстия относительно контактных площадок и печатные проводники между контактными площадками (см. рисунок 7).
   

   Рисунок 7

5. Соединения между контактными площадками микросхем должны трассироваться вне зоны пайки. В противном случае неправильная трассировка приведет к некачественному контакту (см. рисунок 8).
   

   Рисунок 8

6. Правильно подсоединяйте печатные проводники к контактным площадкам SMD-компонентов с учетом пайки с целью избежать поворота этого компонента. Стрелками на рисунке показано направление миграции припоя, слева предпочтительный вариант, справа вариант, который может привести к повороту компонента (см. рисунок 9).
   

   Рисунок 9

7. При трассировке включите шаг сетки, совпадающий с шагом расположения компонентов (как правило, с шагом микросхем) – 1,27 мм, 0,635 мм. Для компонентов с другим шагом сетки следует либо уменьшить шаг сетки, либо отключить привязку к сетке.
8. При смене направления проводника следует применять угол изгиба 45 градусов или в виде дуги, так как при повороте в 90 градусов ток распределяется неравномерно (как следствие, перегрев проводника), кроме того на высоких частотах это приведет к тому, что данная часть схемы будет работать как антенна (см. рисунок 10).
   

   Рисунок 10

9. Если печатная плата многослойная, то выполняйте цепи питания и земли в виде полигонов (заливка медью желательно по всей площади печатной платы) и размещайте каждую из этих цепей на отдельном внутреннем слое друг относительно друга. Если печатная плата двусторонняя, то свободное пространство печатной платы, как на верхней стороне (Top), так и на нижней (Bottom), выполнить в виде полигона, подключенного к цепи земли (GND). Цепи питания развести широкими максимально прямолинейными проводниками без образования лишних перегибов и минимизацией количества сквозных отверстий между слоем Top и Bottom.
10. Для печатных плат с более чем четырьмя слоями следует располагать высокоскоростные сигнальные проводники между полигонами земли и питания, а низкочастотным отводить внешние слои.
11. Следует разделять земли на аналоговую (AGND) и цифровую части (DGND) для подавления шума. При этом нельзя допускать перекрытий аналоговых и цифровых полигонов. Однако разделение не означает электрической изоляции аналоговой от цифровой земли, они должны соединяться вместе в узле с низким импедансом. Данный узел, будет являться выводом заземления для систем с питанием от сетевого переменного напряжения или общим выводом для систем с питанием от постоянного напряжения. Все сигнальные токи и токи питания в этой схеме должны возвращаться к этой земле в одну точку, которая будет служить системной землей.

    При этом точка соединения должна располагаться максимально близко к месту входа тока питания на плату. Здесь возможны три случая:

    - одноточечное соединение для печатных плат, работающих в диапазоне частот от 1 Гц до 10 МГц (последовательное соединение увеличивает импеданс земли) и при максимальной длине печатного проводника равной 1/20 длины волны;

    - многоточечное соединение рекомендуется применять на высоких частотах, так как такое соединение имеет меньший импеданс по сравнению с одноточечным соединением. При этом следует учитывать, что если имеются на печатной плате функциональные узлы и высокочастотные и низкочастотные, то ближе к земле располагают высокочастотные узлы, а низкочастотные располагают ближе к линии питания;

    - комбинированное соединение рекомендуется применять, если на печатной плате имеется цифрой, аналоговый или силовой функциональные узлы.

12. Шины питания и земли должны находиться под одним потенциалом по переменному току, что подразумевает использование конденсаторов развязки и распределенной емкости. Следует отметить, что развязывающие конденсаторы допустимо использовать на частотах более низких, чем частота их собственного резонанса, до тех пор, пока их импеданс на этих частотах остается достаточно низким.
13. Располагайте шины и полигоны аналогового питания над полигоном аналоговой земли (аналогично для шин цифрового питания). Аналоговые сигнальные проводники располагайте над/под аналоговой землёй (AGND), следите, чтобы аналоговые сигнальные проводники пересекали только аналоговые проводники.
14. Правильно разделяйте контактные площадки от полигонов. Контактные площадки, которые соединяются полигоном необходимо отделять термобарьером, который позволяет предотвратить неравномерный прогрев площадки при пайке (см. рисунок 11).
    

    Рисунок 11

15. На высоких частотах (ГГц) полигоны в многослойной печатной плате нужно соединять в нескольких местах сквозными отверстиями по принципу "клетка Фарадея" (см. рисунок 12).
    

    Рисунок 12

16. Не забывайте использовать термобарьеры для пайки для штыревых компонентов и SMD-компонентов, подключенных к полигону залитому медью. Термобарьеры позволяют улучшить технологичность платы для процесса монтажа, в особенности для пайки «волной припоя» (см. рисунок 13).
    

    Рисунок 13

17. Полигоны необходимо размещать с обеих сторон печатной платы равномерно. Здесь следует различать сплошную заливку при реализации полигона и в виде сетки. Сплошная заливка может привести к деформации печатной платы при неравномерном их распределении, но позволяет получить меньший импеданс, по сравнению с заливкой в виде сетки. При заливке в виде сетки следует применять шаг не более 13 мм.
18. При реализации полигонов могут образовываться изолированные медные участки, которые на высоких частотах могут создавать помехи. В связи с этим такие участки должны быть удалены.

После того как трассировка печатной платы выполнена, необходимо проверить корректность трассировки согласно правилам проектирования, заданных в настройках правил проектирования. Для этого необходимо просто запустить модуль проверки правил DRC (design rule checker). Если ошибок не обнаружено, то этап трассировки печатной платы можно считать завершенным. Дополнительно о трассировке печатных плат вы можете прочитать в статье, перейдя по ссылке Основы трассировки печатных плат. Высокоскоростной дизайн. Часть 1.