BAZA WIEDZY - Trasowanie na płytkach PCB

   Trasowanie ścieżek i elementów (ang routing) na płytkach PCB to kolejny, kluczowy etap projektowania, następujący po doborze i rozmieszczeniu elementów na płytce. To właśnie na tym etapie projektant wyznacza ścieżki, które połączą poszczególne komponenty, umożliwiając przepływ sygnałów i zasilania. Trasowanie ma bezpośredni wpływ na wydajność oraz jakość końcowego urządzenia, a także na koszty produkcji samej płytki drukowanej. Odpowiednie poprowadzenie ścieżek pomaga unikać zakłóceń, poprawia stabilność pracy układu i optymalizuje wykorzystanie powierzchni płytki. Ze względu na precyzję i doświadczenie, jakie wymagane są w tym procesie, trasowanie można uznać wręcz za sztukę, która łączy techniczną wiedzę z kreatywnym podejściem do rozwiązywania wyzwań projektowych.

Najważniejsze zasady trasowania

1. Grubość i szerokość ścieżki
   Przepływający prąd powoduje wzrost temperatury ścieżki, dlatego jej grubość i szerokość muszą być odpowiednio dobrane do przewidywanego natężenia prądu. Zbyt cienka lub wąska ścieżka może prowadzić do przegrzania, a w skrajnych przypadkach do uszkodzenia płytki. Parametry ścieżki w zależności od prądu można łatwo obliczyć, korzystając z naszego kalkulatora.
   W praktyce zaleca się stosowanie szerszych ścieżek zamiast zwiększania grubości miedzi, o ile dostępna jest odpowiednia przestrzeń na płytce. Szersze ścieżki lepiej rozpraszają ciepło i są bardziej odporne na wahania temperatury. Ponadto, jeśli tylko pozwala na to miejsce, zawsze warto zaprojektować ścieżkę nieco szerszą dla zwiększenia niezawodności projektu.
2. Odstępy pomiędzy ścieżkami
   Zbyt mała odległość pomiędzy ścieżkami, padami lub masami może prowadzić do powstawania zwarć już na etapie produkcji płytki. W naszej firmie minimalna odległość wynosi 8 mils (0,2 mm), co zapewnia bezpieczną separację, jednak jeśli tylko pozwala na to wolne miejsce na płytce, zawsze warto stosować większe odstępy. Szersze odstępy zmniejszają ryzyko powstawania błędów podczas produkcji i zapewniają większą niezawodność działania urządzenia.
3. Oddzielenie ścieżek cyfrowych od analogowych
   Oddzielenie ścieżek cyfrowych od analogowych jest istotne ze względu na różnice w charakterystyce sygnałów cyfrowych i analogowych oraz ich wpływ na siebie nawzajem. Sygnały cyfrowe, które szybko przełączają się między stanami wysokim i niskim, generują zakłócenia elektromagnetyczne oraz szumy, co może wprowadzać interferencje w sąsiednie obwody. Sygnały analogowe są z kolei bardziej podatne na zakłócenia i wymagają stabilności, aby zapewnić dokładność pomiarów lub transmisji sygnału.
4. Pola masy
   Stosowanie pól masy na płytkach PCB jest korzystne, ponieważ zapewnia lepsze połączenie z punktem odniesienia („zerem”) dla wszystkich elementów, w porównaniu do prowadzenia wielu oddzielnych ścieżek masy. Pole masy tworzy dużą, ciągłą powierzchnię przewodzącą, do której podłączone są wszystkie komponenty wymagające uziemienia. Taki układ pomaga redukować szumy i zakłócenia, działając jak ekran chroniący obwód przed wpływem pola elektromagnetycznego, co jest szczególnie istotne w układach analogowych i wysokoczęstotliwościowych. Dodatkowo pole masy rozkłada przepływ prądu na większej powierzchni, co zmniejsza rezystancję i stabilizuje napięcie odniesienia dla poszczególnych elementów. Oprócz poprawy wydajności i niezawodności, pola masy upraszczają też układ ścieżek, co ułatwia projektowanie i produkcję płytki.


Projekt PCB

5. Unikanie kątów prostych
   Unikanie kątów prostych w ścieżkach PCB jest istotne zwłaszcza w układach wysokiej częstotliwości, ponieważ ostre zakręty mogą powodować problemy, takie jak odbicia sygnałów oraz przesłuchy między ścieżkami. W układach niskiej częstotliwości kąty proste nie mają aż tak dużego wpływu na działanie obwodu, jednak we współczesnych projektach, gdzie często łączy się mikroprocesor z elementami wykonawczymi, lepiej zachować ostrożność. Dlatego zaleca się zastępowanie kątów prostych dwoma kątami po 45°, co pomaga w zachowaniu integralności sygnału oraz zwiększa niezawodność projektu.
6. Kierunek ścieżek
   W celu uzyskania bardziej uporządkowanego i niezawodnego układu, ścieżki na PCB powinny być prowadzone, o ile to możliwe, w jednym kierunku na każdej warstwie. Przykładowo, na warstwie dolnej (bottom) ścieżki można prowadzić pionowo, a na warstwie górnej (top) - poziomo. Taki układ ułatwia projektowanie oraz minimalizuje ryzyko krzyżowania się ścieżek, co z kolei zmniejsza ilość koniecznych przelotek między warstwami. Dzięki temu cały projekt staje się prostszy w produkcji, a także poprawia się jego niezawodność, ponieważ ogranicza się długość ścieżek i minimalizuje zakłócenia między nimi.
7. Pady termiczne
   Pady termiczne są specjalnymi połączeniami stosowanymi na płytkach PCB, które ułatwiają lutowanie elementów przyłączonych do dużych powierzchni miedzi, takich jak pola masy. Bez tych specjalnych połączeń duże pola miedzi szybko odprowadzają ciepło z punktu lutowania, co utrudnia osiągnięcie odpowiedniej temperatury i może prowadzić do problemów z połączeniem lutowanym. Pady termiczne zmniejszają przepływ ciepła do otaczającego pola miedzi, co pozwala na łatwiejsze i bardziej równomierne nagrzewanie punktu lutowania. Oprócz ułatwienia lutowania, pady termiczne zmniejszają ryzyko uszkodzenia elementów i ścieżek z powodu nadmiernego nagrzewania.
8. Elementy na jednej warstwie
   Umieszczanie elementów na jednej warstwie płytki PCB znacząco ułatwia proces montażu, zwłaszcza w przypadku montażu automatycznego. Dzięki temu wszystkie komponenty mogą być umieszczane i lutowane w jednym cyklu produkcyjnym, co obniża koszty i czas montażu. Unikamy też konieczności odwracania płytki, co zmniejsza ryzyko przesunięcia elementów lub błędów montażowych. W efekcie, umieszczanie elementów na jednej warstwie nie tylko przyspiesza produkcję, ale również zwiększa niezawodność i powtarzalność procesu, co jest kluczowe w produkcji seryjnej.
9. Minimalizowanie liczby przelotek Każda przelotka na płytce PCB wiąże się z dodatkowymi wyzwaniami. Po pierwsze, przelotki dodają pojemność między warstwami, co może wpływać na integralność sygnałów, szczególnie w układach wysokoczęstotliwościowych. Przyjmuje się, że pojedyncza przelotka o rozmiarach (np. 0,3 mm średnicy) może wprowadzać pojemność rzędu kilku pF, co może prowadzić do zakłóceń w sygnałach. Ponadto, każda przelotka zmniejsza wytrzymałość mechaniczną płytki.

Projektowanie trasowania na płytkach PCB to ważny etap, który ma ogromny wpływ na wydajność, niezawodność i koszt finalnego urządzenia. Stosując powyższe zasady, można stworzyć funkcjonalną, trwałą i wydajną płytkę PCB, spełniającą wymagania nowoczesnych układów elektronicznych.