אם אתם מתכננים לוח שצריך להיבנות בצורה נקייה, לעבור דרישות EMI, ולהתנהג באופן עקבי בחומרה אמיתית—אי אפשר להתייחס לפריסה כאל “אחר כך”. כללי תכנון PCB חזקים—במיוחד סביב מיקום רכיבים, ניתוב וגאומטריית נחושת—הם מה שהופך סכימה נכונה למוצר אמין.
מאמר זה הוא סט מעשי של כללי תכנון PCB המתמקד בשלושה יסודות: מיקום רכיבים ב-PCB, כללי ניתוב ב-PCB, ו-רוחב ומרווח מסילות (Traces).
1. כללי מיקום רכיבים ב-PCB (PCB Component Placement Rules)
מיקום רכיבים ב-PCB פירושו סידור הרכיבים בהתאם לכוונה הפונקציונלית של הסכימה ולממדים המכניים של כל מארז (Package). איכות המיקום משפיעה על תפוקת ההרכבה, על מאמץ דיבוג/תיקון, ועל הביצועים החשמליים הסופיים.
פעלו לפי כללי התכנון הבאים למיקום רכיבים:
(1) שמרו על פריסה אחידה; קבצו רכיבים לפי פונקציה
- פזרו את הרכיבים בצורה אחידה ומסודרת.
- שמרו רכיבים באותו בלוק פונקציונלי קרובים יחסית כדי להקל על בדיקות, דיבוג ושירות.
(2) מקמו רכיבים שמחוברים חשמלית קרוב כדי לקצר אורכי ניתוב
- רכיבים שמתחברים זה לזה רצוי למקם סמוך.
- חיבורים קצרים משפרים צפיפות ניתוב ומסייעים למזער פרזיטים (Parasitics).
(3) הפרידו רכיבים רגישים לחום ממקורות חום
- הרחיקו רכיבים רגישים לטמפרטורה מרכיבי הספק גבוה וממקורות חום משמעותיים כדי להפחית דריפט ולשפר יציבות.
(4) בידוד או מיגון רכיבים שעלולים לגרום לבעיות EMI
- עבור רכיבים שעלולים להפריע אלקטרומגנטית, השתמשו במרווח, מיגון או בידוד לפי הצורך.
2. כללי ניתוב ב-PCB (PCB Routing Rules)
הניתוב הוא המקום שבו כללי תכנון PCB הופכים לנחושת אמיתית. ניתוב טוב מפחית רעש, מגביל קופלינג, ומשפר יכולת ייצור.
(1) בחרו שכבות בסדר הזה: חד-שכבתי → דו-שכבתי → רב-שכבתי
כל עוד הדרישות מתקיימות, העדיפו סטאק-אפ פשוט יותר תחילה:
- חד-שכבתי, אחר כך דו-שכבתי, ואז ניתוב רב-שכבתי.
(2) שמרו מסילות קצרות; נתחו אותות רגישים/חלשים קודם
- שמרו את המסילות בין הפדים קצרות ככל האפשר.
- נתחו אותות רגישים ואותות חלשים קודם כדי להפחית השהייה והפרעות.
- באזורים אנלוגיים, ניתן להעביר מסילת אדמה לצד מסילות כניסה לצורך מיגון, במידת הצורך.
- שמרו על פיזור ניתוב אחיד באותה שכבה ונסו לאזן את שטח הנחושת כדי להפחית סיכון לעיוות/קימור הלוח (Warpage).
(3) הימנעו מפינות חדות: השתמשו בזוויות 45° או בקשתות חלקות
- שינויי כיוון רצוי לבצע בזוויות 45° או בעקומות חלקות עם רדיוס גדול יותר.
- זה מסייע להימנע מריכוז שדה, החזרות, וחוסר רציפות נוסף באימפדנס.
(4) הפרידו ניתוב דיגיטלי ואנלוגי—והפרידו גם את מערכות ההספק/אדמה שלהם
- נתחו אזורים דיגיטליים ואנלוגיים בנפרד כדי למנוע הפרעה הדדית.
- אם הם חולקים שכבה, שמרו על ניתוב נפרד להפצת ההספק ולהפצת האדמה של כל אחד.
- עבור אותות בתדרים שונים, שקלו מסילת אדמה ביניהם כדי להפחית Crosstalk.
(5) שמרו חיבורי הספק ואדמה קצרים וקרובים
- ניתוב הספק/אדמה קצר וקרוב מפחית התנגדות פנימית.
(6) נתחו שכבות סמוכות בצורה אורתוגונלית (X/Y); הימנעו מחפיפה מקבילה
- השתמשו בכיווני ניתוב מאונכים בין שכבות סמוכות כדי להפחית קופלינג.
- הימנעו מהרצות מקבילות ארוכות, והימנעו מיישור מסילות ישירות אחת מעל השנייה.
(7) התאמת אורך למסילות I/O קריטיות במהירות גבוהה ולמסלולים מאוזנים/דיפרנציאליים
- במסלולי Multi-I/O מהירים ובמסלולים מאוזנים/דיפרנציאליים, האורכים צריכים להיות שווים כדי למנוע הפרשי השהייה או הסטת פאזה לא רצויה.
(8) השתמשו ב-Thermal Relief לפדים המחוברים לנחושת גדולה—למעט פדים מעל 5A
לפדים שמחוברים לשטחי נחושת גדולים, השתמשו ב-Thermal Relief:
- אורך ה”זרוע” (Spoke) ≥ 0.5 מ״מ
- רוחב ה”זרוע” (Spoke) ≥ 0.13 מ״מ
- אל תשתמשו ב-Thermal Relief לפדים שמעבירים יותר מ-5A.
(9) שמרו מרווח בין מסילות לשפת הלוח
- המסילות הקרובות ביותר לקצה הלוח צריכות להיות בדרך כלל במרחק > 5 מ״מ מהקצה.
- מסילות אדמה יכולות להיות קרובות יותר במידת הצורך.
- אם הלוח נכנס למסילות/מובילים (Rails/Guides), שמרו מרווח גדול מעומק החריץ של המסילה.
(10) תכננו הספק ואדמה לאימפדנס נמוך (דו-שכבתי ורב-שכבתי)
- בלוחות דו-שכבתיים, מקמו את ההספק והאדמה המשותפים קרוב לקצה, וכאשר אפשר—פזרו אותם בשני הצדדים כדי להשיג אימפדנס נמוך.
- בלוחות רב-שכבתיים, השתמשו במישורי הספק/אדמה ייעודיים וחברו דרך Vias מצופים (Plated-through vias).
- שטחי נחושת גדולים בשכבות פנימיות (הספק/אדמה) יכולים להיות בתבנית רשת (Mesh) כדי לשפר את חוזק ההדבקה בין השכבות.
(11) הוסיפו Breakpoints ונקודות בדיקה להקלת בדיקות
- כללו Breakpoints ונקודות בדיקה (Test Points) כדי לפשט אימות ותהליכי בדיקה בייצור.
3. רוחב ומרווח מסילות (Trace Width and Spacing)
רוחב מסילה תלוי בזרם העומס, עליית טמפרטורה מותרת, ומגבלות ייצור מעשיות (כולל היצמדות/אחיזת הנחושת). באופן כללי:
- מסילות טיפוסיות הן ברוחב לפחות 0.2 מ״מ, לרוב עם עובי נחושת ≥ 18 µm.
- לוחות SMT ולוחות בצפיפות גבוהה יכולים להשתמש במסילות דקות יותר, אך גיאומטריה עדינה יותר מקשה על הייצור—בחרו מסילות רחבות יותר כאשר יש מקום.
(1) שמרו על רוחב עקבי למסילות אות; הפכו הספק/אדמה לרחבים
- עקביות ברוחב מסילות אות מסייעת בעקביות אימפדנס וב-Matching.
- הנחיה נפוצה לרוחב מסילות אות: 0.2–0.3 מ״מ (8–12 mil).
- השתמשו בנחושת רחבה יותר להספק/אדמה כדי להפחית הפרעות.
- לאותות בתדר גבוה, הוסיפו מיגון אדמה סמוך לפי הצורך.
(2) קווים מהירים וקווי מיקרוגל חייבים לעמוד ביעדי אימפדנס אופייני
- יש לבחור את הרוחב והעובי כך שיעמדו בדרישות האימפדנס.
(3) תכנון הספק גבוה: התחשבו בצפיפות זרם ובבידוד
- התחשבו במגבלות מרווח/בידוד, לא רק ברוחב.
- מוליכים בשכבות פנימיות מאפשרים בדרך כלל כ-חצי מצפיפות הזרם של שכבות חיצוניות.
(4) הגדילו מרווחים כשאפשר כדי לשפר התנגדות בידוד
התנגדות הבידוד בשכבות חיצוניות מושפעת מ:
- מרווח בין מסילות
- אורך קטעים מקבילים סמוכים
- מדיום הבידוד (מצע הלוח והאוויר)
כאשר יש מקום בניתוב, הגדילו את המרווח.
מסקנה
כללי PCB design rules ו-PCB design guidelines האלה פשוטים, אך הם מונעים אחוז גדול של בעיות בעולם האמיתי:
- התחילו ממיקום רכיבים ממושמע (PCB component placement).
- יישמו כללי ניתוב שמרניים להפרדה, שליטה בקופלינג ובדיקתיות.
- השתמשו ברוחב ומרווח מסילות מציאותיים שתומכים בזרם, באימפדנס וביכולת הייצור.
