Mils, milímetros e a bagunça da unidade de PCB

Por que o design de PCB tem um problema de unidade

A indústria norte-americana de PCBs cresceu em unidades imperiais. Os tamanhos das brocas estão em mils (milésimos de polegada). Os tamanhos das almofadas estão em mils. Os padrões IPC que definem tudo, do anel anular ao espaçamento entre condutores, foram escritos em mils.

O resto do mundo usa métricas. Os pacotes de componentes são definidos em milímetros. Os contornos do quadro estão em milímetros. As máquinas pick-and-place funcionam em milímetros.

Portanto, todo designer de PCB trabalha em ambos os sistemas, convertendo constantemente e errando ocasionalmente. Um traço de 10 mil e um traço de 10 mm diferem por um fator de 254. Ninguém os confunde visualmente em um quadro, mas em um cálculo ou roteiro, o fator errado é silencioso.

As conversões

Exatamente:

• 1 polegada = 25,4 mm (por definição desde 1959)
• 1 mil = 0,0254 mm = 25,4 µm
• 1 mm = 39,3701 mil

Para uma rápida conversão mental:

• Mils a mm: divida por 40, subtraia 1,5%. Bom para 0,1% para qualquer coisa abaixo de 500 mil.
• mm a mils: multiplique por 40, adicione 1,5%.

Ou lembre-se: 100 mil = 2,54 mm. Tudo se expande a partir daí.

A única constante que vale a pena memorizar

1 oz/ft² de cobre = 34,8 µm = 1,37 mil de espessura.

Mais precisamente: 0,0348 mm. Esse é o número que conecta o peso do cobre (uma especificação de densidade de área) à espessura do cobre (uma dimensão geométrica).

De onde vem: uma onça de cobre espalhada por um pé quadrado, dada a densidade do cobre de 8.960 kg/m³, dá uma folha de 34,79 µm de espessura. A derivação:

O valor comumente usado de 35 µm (ou 1,4 mil) é uma aproximação arredondada. Para cálculos de impedância em que a espessura do cobre é importante — listras com cobre pesado ou CPW com lacunas estreitas — use 34,8 µm por onça.

Pesos comuns:

Onde a bagunça da unidade realmente morde

Cálculos de impedância

Largura do traço em mils, altura dielétrica em mm (da folha de dados do laminado), espessura do cobre em onças. Três unidades diferentes em uma fórmula. Perca uma conversão e sua impedância está errada em uma ordem de magnitude, mas o número ainda pode parecer razoável — 35 Ω em vez de 50 Ω, digamos — porque a fórmula é bem comportada.

Sempre converta tudo em um sistema antes de calcular. Os milímetros geralmente são mais limpos porque as folhas de dados laminadas são métricas.

Tabelas atuais do IPC-2152

As tabelas estão em mils² para área de seção transversal e °C para aumento de temperatura. Se sua ferramenta de design relatar a largura do traçado em mm, você precisará converter amonto a largura e a espessura em mils antes de entrar na tabela. A área em mils² é:

Um traço de 0,25 mm a 1 onça: isso é 9,84 mil de largura × 1,37 mil de espessura = 13,5 mil². Na tabela IPC, isso carrega cerca de 0,7 A a 10° C de aumento em uma camada interna.

Tamanhos de broca

Os fabricantes citam tamanhos de broca em mils (EUA) ou milímetros (Ásia/Europa). Uma via de “10 mil” tem 0,254 mm. Uma via de “0,2 mm” tem 7,87 mil. Eles estão próximos o suficiente para confundir. Se sua mesa de perfuração misturar fontes, verifique todas as entradas.

O tamanho do furo acabado é menor do que o tamanho da broca pela espessura do revestimento em cada lado — normalmente 25 µm (1 mil) por lado, portanto, 50 µm (2 mil) de redução do diâmetro total.

Espaçamento DRC

Regras de projeto em ferramentas baseadas em mil: espaço de 5 mil = 0,127 mm. As ferramentas métricas podem mostrar 0,13 mm, o que na verdade é 5,12 mil — tecnicamente diferente, nunca praticamente diferente, mas causam violações espúrias da RDC se o motor for comparado com precisão abaixo de um mícron.

Escolha um sistema para suas regras de design e continue com ele. Não misture.

Microns em trabalho adjacente a semicondutores

Qualquer coisa que envolva roteamento em nível de matriz, colagem de arame ou embalagem em nível de pastilha vive em micrômetros. A conversão em mils:

• 1 µm = 0,03937 mil
• 1 mil = 25,4 µm

Um fio de ligação de 25 µm tem cerca de 1 mil. Uma camada de metal de 5 µm é de 0,2 mil. Esses números são importantes para cálculos de densidade de corrente em substratos de embalagens e intermediários.

Conselhos práticos

1. Defina sua ferramenta EDA como métrica (mm). As dimensões dos componentes são métricas, os contornos da placa são métricos e os desenhos da fábrica são métricos. O legado imperial vive em material de referência, não em seu layout.
2. Mantenha uma conversão constante em seus scripts. Não codifique 25.4 em doze lugares. Defina-o uma vez.
3. Unidades de estado explicitamente em toda documentação. “Largura do traço: 6" é ambígua. “Largura do traço: 6 mil” não é. “Largura do traço: 0,15 mm” não é.
4. Para espessura de cobre, use a constante exata. 34,8 µm/oz, não 35. O erro de 0,6% se propaga em cálculos de impedância e fusão.

A calculadora de unidades de comprimento converte entre todos os quatro sistemas relevantes para PCB (mm, mil, polegadas, µm) e inclui a conversão de peso em espessura de cobre.