במעגל מודפס (PCB) נקראות רצועות הנחושת הדקות הרצות על הלוח מסלולים (Traces).
כל מסלול מוביל אותות או הספק בין רכיבים, והעיצוב שלו משפיע ישירות על ביצועי המעגל.
מדריך זה מסביר מהו מסלול PCB, כיצד לקבוע את רוחבו המתאים, כיצד תקנים כמו IPC-2152 עוזרים, ואילו כלים - כגון מחשבון רוחב מסלול - יכולים לסייע בתכנון.
מהו מסלול PCB?
מסלול PCB הוא נתיב נחושת צר ושטוח על גבי הלוח.
הוא מחבר בין רכיבים ומאפשר לזרם לזרום ביניהם כמו חוט, אך בצורה מודפסת ודחוסה.
לכל מסלול יש פרמטרים עיקריים:
- רוחב: כמה רחבה רצועת הנחושת.
- מרווח: המרחק בין מסלולים סמוכים.
- עובי נחושת: עובי שכבת הנחושת (לרוב נמדד oz/ft²).
- אורך: מסלולים ארוכים יותר מוסיפים התנגדות ונפילת מתח.
- אימפדנס: במעגלים מהירי-אות זה קובע כיצד האות נע.
מסלולים יכולים להימצא בשכבות חיצוניות (חשופות לאוויר ומתקררות בקלות) או בשכבות פנימיות (קבורות בין חומרים דיאלקטריים).
מכיוון ששכבות פנימיות שומרות חום, הן נושאות פחות זרם עבור אותו רוחב.
מה קובע את רוחב המסלול?
1) זרם ועליית טמפרטורה
הגורמים החשובים ביותר הם הזרם שהמסלול יישא ועליית הטמפרטורה המותרת.
אם המסלול מתחמם מדי, ההתנגדות עולה ועלול להיגרם נזק ללוח.
שכבות חיצוניות מתקררות מהר בזכות זרימת אוויר; לשכבות פנימיות צריך רוחב גדול יותר עבור אותו זרם.
2) עובי נחושת
הסטנדרט הוא 1 oz/ft² (≈ 35 µm).
נחושת עבה יותר, למשל 2 oz או 3 oz, מאפשרת מסלולים צרים יותר עבור אותו זרם – אך מייקרת ועלולה להגביל צפיפות.
3) אורך המסלול ונפילת מתח
ככל שהמסלול ארוך יותר, ההתנגדות שלו גדלה.
זה גורם לנפילת מתח ואובדן הספק, בעיקר בקווי הזנה או רשתות אדמה.
כאשר נפילת המתח קריטית – הגדל את הרוחב או הוסף מסלולים מקבילים.
4) סביבה וקירור
אריזה, מסכת הלחמה וזרימת אוויר משפיעות על פיזור החום.
מסלולים מכוסים או פנימיים לוכדים יותר חום, ולכן יש להגדיל רוחב או להפחית צפיפות זרם.
5) מגבלות ייצור
לכל יצרן PCB כללי מינימום לרוחב/מרווח.
ייצור סטנדרטי מאפשר 4–6 mil; ב-HDI ניתן להגיע ל-2 mil ואף פחות.
אשר את יכולות היצרן לפני קיבוע כללי ה-DRC.
IPC-2221 לעומת IPC-2152: במה להשתמש?
שני התקנים מגדירים כיצד לחשב רוחב מסלול, אך בגישות שונות.
IPC-2221 (נוסחה ותיקה)
מבוסס על משוואות אמפיריות מלפני עשורים.
נותן הערכה גסה ולעיתים אינו משקף חומרים מודרניים או תנאי שכבות פנימיות.
IPC-2152 (מעודכן ונבדק)
מבוסס על בדיקות תרמיות בפועל ומכסה יותר משתנים – מיקום שכבה, עובי נחושת ותנאי סביבה.
הוא מדויק ושמרני יותר, ומומלץ לפרויקטים חדשים.
שימוש במחשבון רוחב מסלול
מחשבי אונליין מקלים על העבודה.
הם משתמשים בנוסחאות IPC-2221 או IPC-2152 כדי לאמוד את הרוחב הדרוש עבור זרם ועליית טמפרטורה מסוימים.
קלטים נפוצים:
- זרם (A)
- עליית טמפרטורה (°C)
- עובי נחושת (oz או µm)
- סוג שכבה (פנימית/חיצונית)
דוגמה: לשאת 2 A בשכבה חיצונית עם נחושת 1 oz ועלייה של 10 °C – המחשבון יציע בערך 20 mil (0.5 מ״מ).
באותם תנאים בשכבה פנימית תידרש בערך 40 mil.
מסלולים מהירי-אות ובקרת אימפדנס
במעגלים דיגיטליים או RF רוחב המסלול משפיע גם על האימפדנס.
בתדרים של מאות MHz ועד GHz, המסלול מתנהג כקו תמסורת.
Microstrip ו-Stripline
- Microstrip: מסלול בשכבה חיצונית עם אוויר מעליו ומישור אדמה מתחתיו.
- Stripline: מסלול קבור בין שני מישורי ייחוס בתוך הלוח.
האימפדנס תלוי ב:
- רוחב המסלול
- גובה הדיאלקטריק
- קבוע דיאלקטרי (Dk) של החומר
- עובי/חספוס הנחושת
ערכי יעד נפוצים: 50Ω חד-סופי או 100Ω דיפרנציאלי לרוב האוטובוסים (USB, HDMI, PCIe וכו׳).
מסלולים לזרמים גבוהים ורשת הספק (PDN)
קווי הספק ורשתות אדמה נושאים זרמים גדולים ועלולים להתחמם מהר.
פריסה טובה שומרת אותם קצרים, רחבים ומפוזרים באופן אחיד.
כללים מרכזיים:
- נתיבים קצרים וישרים – מסלולים ארוכים/צרים יוצרים נפילת מתח.
- הגדל עובי נחושת – 2 oz או 3 oz יכולים כמעט להכפיל ספיקת זרם.
- השתמש במספר vias במקביל להחזרת זרם – מפחית התנגדות ומשפר קירור.
- הוסף משטחי נחושת/מישורי הספק להפצת חום.
- הימנע מ״צווארי בקבוק״ סביב רגלי רכיבים או פינות צרות.
צעדים אלה משפרים אמינות ומפחיתים סיכון לשריפת מסלול בספקים, בדרייברי מנוע או במעגלי LED.
EMC, זליגה (Crosstalk) והארקה
בעיות תאימות אלקטרומגנטית מתחילות לרוב מפריסה לקויה. הקפד על:
- מסלולי חזרה קצרים וישרים – האות צריך לזרום מעל מישור הייחוס שלו.
- הפרד בין מסלולים רועשים לרגישים – הרחק קווים אנלוגיים מממירי מיתוג או שעונים.
- השתמש ב-Guard Trace רק כשיש תועלת ועם הארקה טובה.
- אל תריץ מסלולים מהירי-אות מעל חציצות במישורים – זה קוטע את מסלול החזרה ומעלה EMI.
שינויים גאומטריים קטנים יכולים להפחית רעש ולשפר שלמות אות.
שאלות נפוצות (קיצור)
ש: מדוע בשכבות פנימיות צריך מסלולים רחבים יותר מבחיצוניות?
ת: משום שהן מפנות חום בקושי – מוקפות בחומר מבודד.
ש: האם IPC-2152 מדויק יותר מ-IPC-2221?
ת: כן. IPC-2152 מבוסס על בדיקות תרמיות אמיתיות ונותן תוצאות מציאותיות יותר.
ש: איך לאמוד רוחב למסלול של 5A עם עלייה של 10°C?
ת: בשכבה חיצונית עם נחושת 1 oz יידרש בערך 60–70 mil. לקבלת ערך מדויק השתמש במחשבון.
מחשבות אחרונות
תכנון מסלולי PCB הוא גם מדע וגם אמנות.
מסלול צר מדי עלול להתחמם; רחב מדי מבזבז מקום.
באמצעות IPC-2152 ובדיקה עם מחשבון רוחב מסלול תבנו לוחות בטוחים, יעילים ומוכנים לייצור.
בין אם אתם מנתבים לוח מהיר-אות ובין אם דרייבר זרם גבוה, העיקרון זהה:
תכנון נכון של המסלול הוא הבסיס לאלקטרוניקה אמינה ובעלת ביצועים גבוהים.
