Дисклеймер: автор не считает, что различные рекомендации, PCB Guide, и другие вещи не нужны и от них стоит отказаться. А также автор не считает себя истиной в последней инстанции и может ошибаться или использовать не самые новые источники. Название навеяно комментариями к прошлой статье, которую всем рекомендую. И самое главное, здесь много упрощений, о которых автор не пишет, иначе через предложение были бы слова «не все так однозначно»".
Еще будучи в университете, я пошел на свою первую работу, вообще не понимая, что такое разработка радиоэлектронных приборов. Ну и, как любой стажер, начал задавать кучу вопросов и искать в интернете и получал примерно одни и те же ответы и советы, по которым очень долго работал. В какой‑то момент с ростом сложности поступающих задач, все больше и больше я стал задаваться вопросом, а все ли я правильно делаю и уже с новыми знаниями пошел искать те недостающие кирпичи в фундаменте, которые остались после всех этих советов. Именно так я столкнулся с тем, что та реальность, которая всегда была, никак не бьется с тем, что говорят все подряд в интернет�� и классических правилах.
Давайте сразу скажем, что здесь были собраны те классические вещи, которые сложно пропустить мимо себя если ты хоть как‑то связан с топологией печатных плат, те самые «Золотые правила». Их будет два и это те темы, на которые я в своё время не нашел необходимых мне ответов, а вопросов было очень много. Дальше мы будем их один за другим разбирать, чтобы разобраться с ними и выяснить что работает, что нет, а где «не все так однозначно». Да и рассмотрим по большей части только вопросы PI, но и этого нам хватит внутри этой статьи.
Великий обман IPC: почему ваши расчеты это «фейк-ньюс»
Уверен, на 99%, что при трассировке питания вы делаете следующее: ведете питание большими полигонами или широкими трассами, выбирая ширины по калькуляторам или IPC. Вы открываете любой популярный калькулятор ширины дорожек, с вероятностью 99% он предложит вам расчет на основе стандарта IPC-2221. И вот в этот момент могу пожать вам руку и сказать, вы только что вступили в секту «Я верю стандарту, потому что их же пишут умные люди, не могут же они ошибаться».
Мы все задаем там любые параметры (или смотрим графики) и довольные, что мы проверили падение напряжения и прирост температуры, решаем, что наша дорожка не перегорит и напряжение упадет в рамках допуска. Правда в том, что мы строим современные системы на «черновике» 70-летней давности, который никогда не предназначался для современного проектирования. Давайте разбираться.
Сразу разделим эту тему на две, ��а «перегрев» дорожек и падения напряжений. Начнем с температуры и воспользуемся очень недооценённой книгой Дугласа Брукса и Джонаса Адамса «PCB Design Guide to Via and Trace Currents and Temperatures» и их статьей «PCB Signal Traces Are Hotter Than We Think».
История ошибки: отчет NBS №4283
Всё, что мы знаем о допустимом токе, началось в 1956 году. Национальное бюро стандартов США (NBS) выпустило отчет, в котором исследовались однослойные платы с медью, которая по своим свойствам сильно отличалась от современной.
Главная проблема этого исследования — бюджет. Ученым не хватило финансирования, чтобы провести полноценные тесты. В самом отчете они прямо указали: «данные являются предварительными и требуют уточнения». Но уточнений не последовало. Эти «временные» графики просто перепечатывались десятилетиями: сначала в военные стандарты, а затем в IPC-2221. Мы используем данные, которые сами авторы считали недоделанными.
В 2009 году, спустя полвека ожиданий, IPC наконец‑то выпустила стандарт IPC-2152, основанный на самом масштабном и точном исследовании нагрева проводников в истории. Казалось бы, вот она истина. Но не тут‑то было.
Даже рабочие группы, создававшие этот стандарт, открыто признают: IPC-2152 это всё еще «усреднение по больнице». Стандарт дает более адекватные цифры (допустимые токи оказались примерно на 25% ниже старых прогнозов), но он всё еще катастрофически далек от реальности вашего конкретного проекта. Как справедливо замечают эксперты Cadence, IPC-2152 — это хороший ориентир, но он не заменяет полноценный тепловой анализ, особенно когда речь идет о многослойных структурах и плотном монтаже.
Сколько же ампер нужно, чтобы устроить пожар?
Давайте зададимся вопросом: какой ток нужно подать через медную дорожку шириной 1 мм и толщиной 35 мкм, чтобы она была температурой 100?
Рассуждения типичного тополога следующая: «Открываем калькулятор, вбиваем значение тока, дальше окружающую температуру, ну пусть будет 25 градусов, толщина меди 35 мкм и вот и результат. Или например, смотрим в таблицы, и говорим, что примерно 3А и мы можем вскипятить чайник, правда же так?»
И вы можете подумать, что на этот случай нет универсального правила. А вот нет, я вам там лучшие «Золотое правило», записывайте: «It depends!» (Зависит от). Это ответ на любой вопрос, именно с него должно начинаться любое обсуждение. А любой, кто назовет вам точное число, не глядя на структуру и топологию вашей платы — дилетант.
Почему? Потому что разрушение платы зависит не от тока как такового, а от способности системы отводить тепло.
Эффект радиатора: насколько велика ваша плата? Маленький модуль размером с почтовую марку перегреется и «сбросит» дорожки мгновенно, в то время как большая материнская плата с огромными медными полигонами будет эффективно рассеивать тепло всей своей площадью, работая как гигантский радиатор.
Медное окружение: есть ли под дорожкой сплошной полигон земли? Теплопроводность меди в 1500 раз выше, чем у текстолита. Полигон — это ваш главный «спасательный круг». Если под трассой есть медь, тепло мгновенно уходит в неё, не давая диэлектр��ку под дорожкой начать плавиться. Без учета формы полигонов любые расчеты по таблицам это гадание на кофейной гуще.
Проведя десятки моделирований и основываясь на книге Брукса и Адамса, могу точно сказать, если у вас больше, чем 4 слоя и есть медные полигоны, то любой IPC будет просто бесполезен, вы будете вести огромные дорожки питания, боясь за их перегрев, иногда добавляя для этого лишние слои. Так, что забудьте уже про «безопасные» значения плотности тока, в рамках перегрева, это важный параметр, но никак не единственный для определения перегрева.
Ну и чтобы вернуть в вас веру к IPC приведу вам цитату из нового IPC-2152 (который кроме меня в РФ никто видимо не читал):
А вы встраиваете дуршлаг в печатную плату?
Насмотревшись на другие старые дизайны, все прошивают свои полигоны питания как сумасшедшие, ставя по 10 переходных для того, чтобы провести полигон 5 А, так как в гайдах написано, что на отверстие 0.3 мм должно приходить от 0.5 до 1 А. Кому должно? Зачем должно? Если обратиться к исследованиям и моделированиям, переходные отверстия не выгорят, даже если через одно переходное отверстие пройдет 5 А, а via нагреется всего лишь примерно до 55 градусов! Да, это не укладывается в те привычные подходы, которые мы повсеместно используем, но это так.
Это же могу сказать и про Thermal via. Иногда смотришь на плату, а там поставлены десятки via под thermal pad и ужасаешься, зачем людям такое решето. Как показывают исследования Брукса и Адамса, эффективными являются первые 4–6 via именно они отводят 80% тепла. Дальше можно поставить еще 100 via, но больше 20% они не дадут.
Тут можно мне возразить и сказать, от плотности тока и температуры дорожки зависит падение напряжения и большое количество via нужно для того, чтобы обеспечить допуски по падениям напряжения, и тут я вам не смогу возразить. Всё правда так, но опять же все сложнее.
Падение напряжения.
Для начала рассмотрим физику процесса, тем более это базовые знания для студента 1 курса. Для поиска падения напряжения используем закон Ома:
Сопротивление в медном проводнике можно вычислить по следующей формуле:
где
R = сопротивление;
ρ(T) = удельное сопротивление медного материала, зависящее от температуры проводника;
L = длина дорожки;
A = площадь поперечного сечения дорожки, W*Th,
где: W = ширина дорожки;
Th = толщина дорожки.
Удельное сопротивление медного материала, а следовательно, и сопротивление, является функцией температуры. Тепловой коэффициент сопротивления меди варьируется от 0,0038 (1/°C) до 0,0040 (1/°C) в зависимости от эталона. Поэтому, если сопротивление указано, оно всегда указывается при конкретной опорной температуре, обычно 20 ° C. Тогда удельное сопротивление при любой другой температуре определяется соотношением:
где:
T — интересующая температура
T0 — опорная температура
ρ(T) — Удельное сопротивление при интересующей температуре
ρ(T0) = Удельное сопротивление при опорной температуре
α = Температурный коэффициент удельного сопротивления при опорной температуре.
Если мы знаем сопротивление дорожки при какой-либо температуре и хотим узнать сопротивление при любой другой температуре, просто подставляем R вместо ρ
На этом закончим короткую формульную справку заметив, что
Где P – плотность тока
Тогда мы получим зависимость от плотности тока
Ну вот, тут же сразу видно зависимость от плотности тока и температуры. Значит я не прав, надо слушать IPC! Пора сознаться, я правда вас обманул, точнее вы это сделали сами. IPC никогда не строился на том чтобы прогнозировать падение напряжения. Делая по IPC вы не гарантируете необходимое падение напряжение, это просто заблуждение.
Можно опять возразить, но тут же прямая зависимость от плотности тока и это так. Но, например если в локальных местах плотность тока будет выше всех допустимых значений, которые есть у вас в голове, ничего не произойдет. Возьмем тот же пример, с 5А и одним переходным отверстием, если оно соединяет два больших полигона. Зачастую переход с одного слоя на другой будет занимать 1% общей длины трассы, а то и меньше и соответственно такую же роль и будет играт�� в падении напряжения.
Можно опять заметить, у тебя via нагреется до 50 градусов, что примерно +30 градусов к нормальным условиям. Давайте предположим, что переходы от слоя к слою занимает 10% всей длинны. Теперь посмотрим какое влияние окажет нагрев. Чтобы уменьшить математику, сразу скажу, что каждый градус увеличивает сопротивление меди примерно на 0.4%, то есть, при нагреве +30 градусов, это увеличит сопротивление и падение напряжение соответственно на 12%. Перемножив это на 10% который занимает переход, это будет 1.2%, что в некоторых ситуациях можно вообще не учитывать.
Так, какое же правило использовать здесь. То же самое «Золотое правило»: It depends! Необходимо проанализировать все моменты и уже делать вывод какая ширина полигона или трассы вам нужна.
А пожар будет или нет?
Вроде нам все стало понятно, но закрадывается ощущение, что сюрпризы не закончились и это так. Мы до этого момента рассматривали печатную плату и совсем забывали, что у нас на ней есть компоненты. И если мы уже увидели, что ширина дорожек не так сильно влияет на общую температуру печатной платы, то когда у нас есть компоненты начинается совсем другое дело.
Именно они вносят самый большой вклад в повышение температуры. На некоторых платах компоненты выделяют десятки Ватт, нагревая полигоны и дорожки, которые к ним подходят. В 80% случаев, которые встречались на практике, именно компоненты влияет на падение напряжения больше, чем нагрев дорожки от большой плотности тока. Так как это будет уже не локальный нагрев, а общий, то температура будет влиять уже на все 100% нашего полигона, а это уже десятки процентов.
Давайте подведем краткий итог. Все что касается падения напряжения и «перегрева» дорожек и via следует перестать считать через калькуляторы или IPC. Это бесполезно и опасно для ваших проектов. Если вы моделируете, то перестаньте смотреть плотности тока, это промежуточный параметр, который не несет никакой полезной информации. Хоть этот параметр фигурирует во всех программах для моделлирования (ADS, HyperLynx, Altium и так далее) он вас запутает больше, чем даст какое‑то понимание, а все из‑за того, что IPC дает графики именно относительно этого параметра. Для того, чтобы точно сказать о работоспособности системы, необходимо полное Thermal‑Electrico моделирование, с реальными выделениями всей системы.
Думаю, теперь все перестанут смотреть на плотность тока даже я, правильно? К сожалению нет, я опять вас расстрою (и себя тоже).
Медный "Верхний Ларс"
Хоть та информация, которую мы изучали до этого, где‑то всплывала, и даже книга целая есть, но все же найти эту информацию было не очень сложно. Но то, что начнется сейчас будет мучать меня и вас долгое время. Я это подглядел, когда разбирался с тем как устроены корпуса разных эле��тронных компонентов, для проведения более точных температурных анализов. Так как компоненты с каждым годом уменьшаются, там появилась проблема, которую могли слышать все — это ЭМ. Нет, не электромагнетизм, а электронная миграция.
Суть этого явления в постепенном переносе атомов металла в проводнике под действием импульса от потока электронов при высокой плотности тока. Со временем это приводит к образованию пустот и наплывов металле, что вызывает рост сопротивления и, в итоге, отказ проводника или межсоединения.
Так что же плотность тока важна, вот я и попался. Да, я тоже не ожидал, что так получится, но опять все не так просто. Найти каких‑либо статей и исследований этой темы касательно печатных плат задача почти невыполнимая. Зато есть некоторые статьи по поводу корпусов компонентов. Например, в статье «Electromigration of power devices part 2: power device in applications in controlled environment» говорится, что для плотности тока 103-104 А/см2 и температурами в районе 100 градусов, достаточно для начала процесса электронной миграции. И даже при таких вводных процесс начинает изменение в структуре соединений, но не вызывает быстрый отказ. При значении 1.82*104 А/см2 (100 А/мм2) первые отказы происходят через 1143 часа при температуре, примерно 150 градусов, что примерно, 15 лет нормальной работы микросхемы.
Как бы это ни было удивительно, но при проверке материала, нашел очень интересную статью от PCBONLINE в своей статье «PCB Current Density Limits: Critical Design Considerations for Engineers» от 10 января 2026 года, где приводятся значения в 104 А/мм2, как приемлемый результат. Уж откуда они взяли эти значения я не знаю, ссылок они не дали. Ходят слухи, что есть статьи, например «P. S. Ho and T. Kwok, „Electromigration in metals“. Reports on Progress in Physics, 1989», где вроде как есть значения для обычной меди (как раз 104 А/мм2), а так же статьи где отдельно обговаривается про значения плотности тока для интерметаллических соединений, такие как BGA (там значения примерно 10–100 А/мм2), но о них я думаю стоит кому‑нибудь написать отдельную статью, которая это разберет.
Эпоха «интуитивного дизайна» для конденсаторов закончилась
Это будет вторая и последняя тема, которая справедливости ради не такая сложная и более однозначная. Здесь литературы навалом, читай сколько хочешь и что хочешь.
На любой вопрос по развязывающим конденсаторов, мы можем получить примерно следующее «Ставь конденсатор как можно ближе к ножке», «используй иерархию 10 мкФ — 1 мкФ — 0.1 мкФ». Эти фразы звучат как начала обряда принятия в «карго-культ» топологов. Хотя стоит заметить, что в этих словах есть очень много хорошего, но и очень много плохого.
Здесь не будет большого разбора что такое PDN и как с ним работать, поэтому написано много отличных статей и книг. Если вы еще с этим не знакомы, предложу вам сначала базово ознакомиться с этим самостоятельно. Я же буду рассматривать логику, которой обычно все следует. В этом мне поможет книга Эрика Богадина «Principles of power integrity for PDN design», которую всем советую.
Так как любой конденсатор — это часть электрической схемы, то подбором их занимается схемотехник и тут кроется первая и самая большая проблема. Развязывающие конденсаторы идеально работают внутри схемы, пока не попадут в проект печатной платы. Все паразитные индуктивности петель, которые задают нам профиль импеданса PDN, создаются именно на печатной плате. Мы можем сколько угодно на схеме придумать все, но конечный результат будет зависеть именно от того, как грамотно выполнит работу тополог и отсюда вытекает несколько проблем.
Ловушка «избыточного дизайна».
Схемотехник проектирует систему на современном DC‑DC со встроенным регулятором напряжения. Следуя старой привычке, он закладывает 101 конденсатор на одну ножку, чтобы даже если тополог налажает все было хорошо.
Схема попадает топологу, которому надо расположить этот 101 конденсатор как ему гласит «Золотое правило», как можно ближе к ножке, и он сидит матерится на схемотехника пытаясь это впихнуть в квад��ат 1х1 мм.
Понятно, что это утрирование, но проблема совершенно реальная. С одной стороны бедный схемотехник, который решает проблему, на которую по факту не влияет, с другой стороны бедный тополог, которого учили только так, не объяснив, про петли индуктивности и как с ними работать.
Индустриальный скандал «Capacitor-gate»
В 2020 году мир облетела новость: топовые видеокарты RTX 3080 вылетают в играх при частотах выше 2 ГГц. Анализ от Igor's Lab показал, что производители использовали разные комбинации конденсаторов: кто‑то ставил только крупные POSCAP, кто‑то блоки мелкой керамики MLCC.
С точки зрения даташитов, оба типа подходили, так как конденсаторы имели одинаковую эквивалентную емкость, в POSCAP ESR был даже ниже. Но на экстремальных частотах танталовые конденсаторы не успевали фильтровать пульсации из‑за паразитных параметров своего большого корпуса и монтажа. По схеме все работало идеально, но в реальности все оказалось сложнее.
Святая троица
Святая троица «10 мкФ — 1 мкФ — 0.1 мкФ», ставишь их и можешь быть уверен, что все отлично. Но если мы вспомним как формируется профиль импеданса PDN, то можем заметить, что на стыке профилей двух конденсаторов образуется антирезонанс, который увеличивает так необходимый нам профиль импеданса.
Сверху или снизу?
В любом отделе кипят споры: «Я поставлю конденсаторы на верхний слой, чтобы не использовать переходные отверстия, ведь via это лишняя индуктивность!». Его коллега отвечает: «Зато снизу я поставлю их прямо под выводы питания, и трасса будет нулевой длины!».
Правильный ответ: It depends! Да-да это наше «золотое правило».
Эрик Богатин в своих работах наглядно показывает: ваша интуиция здесь бессильна. Эффективность конденсатора зависит от суммарной индуктивности петли, которая включает в себя:
Индуктивность самого корпуса конденсатора.
Индуктивность контактных площадок.
Индуктивность переходных отверстий.
Индуктивность пути в слоях питания и земли.
И вот здесь начинается самое интересное.
1. «Налог» на переходные отверстия
Те, кто боится ставить конденсаторы снизу, правы в одном: переходное отверстие — это индуктивность (примерно 0.5–1 нГн в зависимости от длины). Казалось бы, ставим сверху и побеждаем?
Но Богатин напоминает: если ваш слой земли (Ground Plane) находится глубоко в плате (например, на 10-м слое), то даже конденсатор, стоящий сверху прямо у ножки чипа, всё равно «платит налог». Току нужно спуститься до 10-го слоя через via и вернуться обратно. Вы уже используете переходное отверстие, просто не замечаете этого.
2. Магия стекапа (Stack-up)
Решение о том, где ставить конденсатор, должно приниматься только после взгляда на структуру слоев.
Сценарий А (Тонкий диэлектрик): если ваш слой питания (Power) — это Layer 1, а слой земли (GND) — Layer 2, и между ними всего 50–100 мкм, то конденсатор сверху будет работать идеально. Индуктивность петли минимальна.
Сценарий Б (Толстая плата): если вы используете многослойную плату, где слои питания запрятаны в середину, то конденсатор снизу, расположенный прямо под пинами BGA, может оказаться эффективнее. Почему? Потому что он минимизирует горизонтальный путь тока, который в PDN‑анализе часто «съедает» больше ресурсов, чем вертикальный проход через via.
3. Почему «Золотое правило близости» часто вредит
Мы привыкли: «ставь конденсатор как можно ближе». Но Богатин доказывает, что иногда два конденсатора, стоящих чуть дальше, но подключенных несколькими переходными отверстиями, работают лучше, чем один «впритык», но на длинных и узких дорожках.
Более того, если вы бездумно затыкаете всё пространство вокруг чипа конденсаторами сверху, вы разрываете полигоны питания и земли, превращая их в «швейцарский сыр». В итоге индуктивность самих плоскостей растет, и вы убиваете PDN всей платы, пытаясь спасти одну ножку питания.
Заключение
Я думаю, после прочтения вы поймете, что любые гайды и «золотые правила» могут помочь в начале вашего пути. Для начинающих специалистов это границы, которые помогают не запутаться и иметь какую‑то опору, но, к сожалению, они так и остаются и продолжают жить в разработках специалистов. Что самое грустное, никто даже не хочет признавать, что границы познаний современного инженера тополога очень скудны, а развитие заключается в просьбе прислать Guide по тому или иному интерфейсу, без желания разобраться, почему даются эти самые рекомендации (Привет чату Господ топологов).
Глобальный итог, который я могу вам предложить — это запомнить самое важное «золотое правило», которые я надеюсь, вы уже выучили звучит как: It depends! Но давайте я все же кратко дам базовые рекомендации.
Хватит использовать калькуляторы бездумно. Они дают очень-очень базовые представления, которые валидны только для падения напряжения, хотя это тоже вопрос не однозначный и варьируется относительно температуры.
Забудьте такой параметр как плотность тока, как базовый параметр для определения ширины дорожки. Он нужен для одной задачи, для предотвращения разрыва дорожек за счет электронной миграции, и плотность тока должна быть меньше 100 А/мм2.
Если у вас есть возможность моделировать, не проводите отдельный DC анализ, используйте совмещенные thermal-electro анализ, именно он дает самые точные значения.
В PDN первостепенную очередь важна не емкость, а паразитная индуктивность. Следите за контурами, которые существуют в вашей сети питания.
В работе над импедансом PDN должны принимать участия и тополог и схемотехник, по отдельности у вас ничего не получится.
Грамотно сформированный Stack-Up поможет решить вам многие проблемы с достижением целевого импеданса цепи
