מדריך Saturn PCB Toolkit: עכבה, רוחב מוליך ועליית טמפרטורה

Saturn PCB Design Toolkit היא־אפליקציה חינמית מהימנה למהנדסי מעגלים מודפסים (PCB).
אפשר להשתמש בה במהירות, גם ללא אינטרנט, כדי לחשב רוחב מוליך ל־10A, לבדוק עכבה של זוג דיפרנציאלי 90Ω, או לאמוד זרם דרך ויה (Via).

המדריך הזה מסביר כיצד להשתמש ב-Saturn בעבודה היומיומית, איך לתקן טעויות קלט נפוצות, ואיך ליישר תוצאות עם Altium או Polar.

למה מהנדסים משתמשים ב-Saturn PCB Toolkit

מי שמחפש “Saturn PCB” רוצה מחשבון פרקטי. המטרות הנפוצות:

• חישוב עכבה מבוקרת (Microstrip, Stripline, זוגות דיפרנציאליים).
• מציאת קשר בין רוחב מוליך / זרם / עליית טמפרטורה לפי IPC-2152.
• בדיקת הספק אבוד או נפילת מתח על מוליך נחושת.
• להבין מדוע Altium ו-Saturn נותנות תוצאות עכבה שונות.

הכלי כולל מחשבונים לעכבה, התנגדות נחושת, זרם בויות ועליית טמפרטורה — הכל באפליקציה קטנה ל-Windows.

לפני שמתחילים: איכות הנתונים קובעת

דיוק התוצאות תלוי באיך שמכינים את הקלט.
רוב הטעויות מגיעות מ־עוביים שגויים של שכבות, התעלמות מציפוי נחושת או בחירת מודל לא מתאים.

א) להשתמש ב־Stackup לאחר לחיצה (Pressed)

בקשו מהיצרן את עובי המבודדים לאחר הלמינציה ואת עובי הנחושת הסופי.
ב-Saturn הפרמטרים H1 ו-H2 הם המרחקים משכבת האות למישורי הייחוס העליון והתחתון אחרי הלחיצה.
אל תכניסו את עובי ה-Prepreg הגולמי.

בלבול ב-H1/H2 הוא הסיבה העיקרית לפערים מול Altium או Polar.

ב) עובי נחושת

במיוחד בשכבות חיצוניות — ודאו שהערך כולל נחושת בסיס + ציפוי גלווני.
בזוגות דיפרנציאליים שני המוליכים צריכים אותו עובי.
דוגמה: 1oz ≈ ‎35µm בסיס + 25µm ציפוי ⇒ ~60µm בסך הכל.

ג) בחירת מודל

ל-Saturn יש כמה מודלים מתמטיים:

מודל	שימוש מומלץ	הערות
IPC-2152	רוחב מוליך / זרם / עליית טמפרטורה	מבוסס על נתונים תרמיים עדכניים
Wadell / IPC-2141	חישוב עכבת Stripline	מדויק במבנים סימטריים
Default	כללי, מבנים א־סימטריים	לרוב הקרוב ביותר לפתרון שדה

חישוב עכבה (Microstrip, Stripline, דיפרנציאלי)

א) Microstrip של 50Ω (שכבה חיצונית)

1. פתחו Microstrip Impedance Calculator.
2. הזינו H, T, Er וקיומו של מסכת הלחמה אם יש.
3. בחרו Target Impedance = 50Ω ולחצו Solve for Width.
4. רשמו את W (רוחב המוליך).

במסמך העכבה ליצרן ציינו:
Layer = Top, Reference = GND, ‎Z₀ = 50Ω ±10%, Test @ 1GHz.

ב) זוג דיפרנציאלי 90Ω

1. בחרו Differential Pair Calculator.
2. הזינו W, S (מרווח), H, T, Er.
3. מרווח קטן יותר ⇒ צימוד חזק ⇒ Zdiff נמוך יותר.
4. כוונו יחד W ו-S כדי להגיע 90Ω (USB 2.0) או 100Ω (Ethernet).

ג) Stripline א-סימטרי (Asymmetric)

1. בחרו Asymmetric Stripline.
2. מלאו בקפדנות H1 ו-H2 (המבודדים מעל ומתחת לאות אחרי לחיצה).
3. השוו בין Default, Wadell ו-IPC-2141.
4. כש-H1 ≠ H2, מודל Default נותן לעיתים תוצאה קרובה ל-Polar או לפותרי שדות.

אם העכבה נראית כפולה/חצי מהצפוי — בדקו קודם את הסדר של H1/H2.

ד) הצלבה עם Altium או Polar

השתמשו באותו Stackup, אותו עובי נחושת ואותו Er בשני הכלים.
סטייה של 1–2% רגילה; פער גדול מעיד לרוב על הגדרות שונות או התעלמות מציפוי.

רוחב מוליך, זרם ועליית טמפרטורה

זהו החלק הנפוץ ביותר ב-Saturn — מצוין ללוחות הספק וזרמים גבוהים.

א) חישוב רוחב מוליך עבור זרם נתון

1. פתחו Trace Width / Current / Temperature Rise.
2. הזינו I, את עובי הנחושת ו-ΔT הרצוי.
3. לחצו Solve for Width.

דוגמה: 10A, שכבה חיצונית, 1oz, ΔT = 10°C ⇒ רוחב נדרש ≈ ‎4.5‎ מ״מ (תלוי סביבה).
אם מתירים ΔT = 20°C, הרוחב קטן משמעותית — בחירת ΔT היא החלטת תכן חשובה.

ב) אימות הספק אבוד ונפילת מתח

השתמשו ב-Copper Resistance:
הזינו L (אורך), W (רוחב), T (עובי) → קבלו R.
חשבּו: P = I²R, ΔV = IR.
אם אתם רואים אותו P או אותו ΔT לזרמים שונים — בדקו אורך ויחידות.

ג) זרם בויות ובויות במקביל

מחשבון Via Current מעריך את הזרם הבטוח לכל ויה.
לזרמים גבוהים — השתמשו בכמה Vias במקביל כדי להקטין התנגדות ונקודות חמות.

למה Altium ו-Saturn מציגות עכבות שונות?

סיבות נפוצות:

• עוביי שכבות לא תואמים — Altium משתמשת בנתוני Prepreg, בעוד Saturn מצפה ל-Pressed.
• התעלמות מציפוי נחושת בשכבות חיצוניות.
• מודל שונה — Altium לרוב IPC-2141, Saturn עשוי להשתמש Wadell או Default.
• תדר מדידת ‎Er שונה.
• מסכת הלחמה לא נלקחה בחשבון — היא מפחיתה מעט את העכבה.

כאשר מיישרים את כל אלה, התוצאות מתכנסות בדרך כלל ל-1–2% הפרש.

שאלות נפוצות

ש1: למה העכבה ב-Saturn כפולה מהמצופה?
בדרך כלל H1/H2 הוחלפו או שהמודל לא מתאים למבנה א-סימטרי. השתמשו ב-Default או בדקו את סדר השכבות.

ש2: מדוע אני מקבל אותה עליית טמפרטורה לזרמים שונים?
ייתכן ש-L = 0 או שהיחידות שגויות. בדקו את R ודאגו לאותם תנאי סביבה.

ש3: איזה מודל לבחור למסלולי זרם גבוה?
IPC-2152, משום שהוא משקף נתוני חימום/קירור עדכניים.

מהחישוב לייצור: מה להעביר ליצרן

במסמך Controlled Impedance העבירו:

• עכבת יעד (בודדת / דיפרנציאלית).
• סבילות (בדרך כלל ±10%).
• שכבת הייחוס ותדר הבדיקה.
• עובי נחושת סופי ועובי מבודדים לאחר לחיצה.
• קיום מסכת הלחמה (כן/לא).

בקשו מהיצרן לאמת עם Polar או פותר פנימי.
אם יש פערים — עברו יחד על נתוני החומר; לא כל FR-4 זהה.

מחשבות אחרונות

Saturn PCB Toolkit הוא כלי פשוט אך חזק.
הוא מגשר בין תכנון למציאות הייצור והופך חישובים ללוחות שניתן באמת לבנות.

כשמכניסים H1/H2 נכון, בוחרים מודל מתאים, ובודקים את הקלט — אפשר לסמוך על התוצאות ולדבר באותה שפה כמו יצרן ה-PCB.