Resolviendo problemas de enrutamiento y apilamiento en el diseño de PCB de alta frecuencia

El diseño de PCBs de alta frecuencia presenta desafíos únicos, particularmente en la configuración del enrutamiento (routing) y el apilamiento (stack-up) de capas. Una planificación y ejecución adecuadas son esenciales para garantizar la integridad de la señal y el rendimiento óptimo. A continuación, exploramos los problemas comunes y las estrategias para abordarlos.

La integridad de la señal está principalmente relacionada con la adaptación de impedancia. Los factores que afectan la adaptación de impedancia incluyen la arquitectura de la fuente de señal, la impedancia de salida, la impedancia característica de la traza, las características de la carga y la topología. Las soluciones implican la terminación y el ajuste de la topología de la traza. Los diseños de alta velocidad son más propensos a la EMI/EMC, por lo que es importante ver cómo mejorar el rendimiento EMI-EMC de su PCB mediante un mejor diseño del layout.

Desafíos en el enrutamiento de PCBs de alta frecuencia

Los circuitos de alta frecuencia son altamente sensibles a la interferencia electromagnética (EMI) y el crosstalk (cruzamiento de señales), lo que hace que un enrutamiento preciso sea crucial. Un mal enrutamiento puede llevar a la degradación de la señal, aumento de ruido y problemas de funcionalidad. Algunas soluciones son:

• Control de impedancia: Mantener una impedancia consistente de la traza utilizando el ancho y espaciamiento adecuados, basados en el material del PCB y la frecuencia de la señal.

• Minimizar el crosstalk: Mantener las trazas de señales de alta velocidad separadas y usar pares diferenciales para reducir el ruido.

• Evitar la reflexión de señales: Igualar las longitudes de las trazas para pares diferenciales y asegurar una terminación adecuada.

• Reducir el uso de vías: Limitar la cantidad de vías para evitar la pérdida de integridad de la señal y retrasos innecesarios.

Enrutamiento (Routing) Manual vs Automático para Señales de Alta Velocidad

La mayoría de los programas avanzados de enrutamiento de PCBs incluyen enrutadores automáticos con restricciones configurables para controlar los métodos de enrutamiento y la cantidad de vías. Las capacidades de los motores de enrutamiento y las restricciones disponibles varían significativamente entre diferentes empresas de EDA. Por ejemplo, la capacidad para controlar el patrón de enrutamiento serpenteante (zigzag) o el espaciamiento entre pares diferenciales puede variar.

Esta variabilidad afecta si las trazas enrutadas automáticamente se alinean con la intención del diseñador. Además, la facilidad para ajustar manualmente el enrutamiento está estrechamente relacionada con las capacidades del motor de enrutamiento, como la capacidad de mover trazas, vías o incluso trazas cerca de rellenos de cobre. Por lo tanto, seleccionar un motor de enrutamiento con capacidades sólidas es clave para resolver estos problemas.

Consejos para un mejor enrutamiento en el diseño de PCB de alta frecuencia

1. Separación de secciones analógicas y digitales: Generalmente, separar las tierras digitales y analógicas es correcto. Es importante asegurar que las trazas de señal no crucen regiones separadas (presas), y evitar trayectorias de retorno de corriente excesivas para la alimentación y señales.

2. Enrutamiento de osciladores de cristal: Son circuitos de oscilación con retroalimentación positiva analógica. Para generar señales de oscilación estables, deben cumplirse las especificaciones de ganancia de bucle y fase. Estas especificaciones de oscilación son susceptibles a interferencias, y aunque agregar trazas de protección a tierra puede ayudar, no siempre aísla completamente la interferencia. Si el oscilador se coloca demasiado lejos, el ruido en el plano de tierra puede afectar el circuito de oscilación con retroalimentación positiva. Por lo tanto, el oscilador de cristal debe colocarse lo más cerca posible del chip.

3. Reducción de EMI: El principio fundamental es que los resistores, condensadores o perlas de ferrita añadidos para mitigar EMI no deben causar incumplimiento de las características eléctricas de la señal. Es preferible priorizar la resolución o reducción de problemas EMI utilizando arreglos de enrutamiento y técnicas de apilamiento de capas del PCB, como enrutando señales de alta velocidad en capas internas. Los componentes pasivos deben ser una última opción para minimizar el daño a la integridad de la señal.

¿Qué es el enrutamiento diferencial?

El señalamiento (signaling) diferencial utiliza dos señales completamente idénticas y polarizadas opuestas para transmitir un solo dato. La decisión se basa en la diferencia de voltaje entre las dos señales. Para garantizar que ambas señales sean completamente consistentes, el enrutamiento debe mantener el paralelismo, con un ancho de línea y espaciamiento uniformes.

El enrutamiento de pares diferenciales debe mantenerse adecuadamente cerca y paralelo. El espaciamiento afecta la impedancia diferencial, un parámetro de diseño crítico. El paralelismo asegura una impedancia diferencial consistente. Las variaciones en el espaciamiento pueden llevar a una impedancia diferencial inconsistente, afectando la integridad de la señal y el retraso de tiempo.

¿Cómo realizar el enrutamiento diferencial en un diseño?

El enrutamiento de pares diferenciales requiere dos consideraciones clave: asegurar longitudes de traza iguales para el par y mantener un espaciamiento constante (determinado por la impedancia diferencial) entre las dos trazas. Estas trazas deben mantenerse paralelas. El enrutamiento paralelo puede implementarse de dos maneras: lado a lado en la misma capa o sobre y debajo en capas adyacentes. El método lado a lado es el más común.

• Enrutamiento diferencial para una señal de reloj con una salida única:  El enrutamiento diferencial solo tiene sentido cuando tanto la fuente de la señal como el receptor son señales diferenciales. Por lo tanto, no es posible utilizar el enrutamiento diferencial para una señal de reloj con una salida única.

• Concepto de resistor de coincidencia: Un resistor de coincidencia se agrega típicamente entre el par diferencial en el receptor. El valor del resistor debe coincidir con la impedancia diferencial para mejorar la calidad de la señal.

• Cable de tierra entre el par diferencial: Generalmente, no se deben agregar cables de tierra entre señales diferenciales. Esto se debe a que la principal ventaja de las señales diferenciales es su acoplamiento mutuo, lo que aporta beneficios como la cancelación de flujo y la inmunidad al ruido.

Vaciado de cobre (Copper Pouring) en las capas de PCB:

En la mayoría de los casos, el relleno de cobre en áreas vacías está conectado a tierra. Sin embargo, al rellenar cobre cerca de líneas de señal de alta velocidad, debe tenerse cuidado con la distancia entre el relleno de cobre y las líneas de señal, ya que el relleno de cobre puede reducir ligeramente la impedancia característica de las trazas. Además, se debe asegurar que el relleno de cobre no afecte la impedancia característica de otras capas, como en configuraciones de dual stripline.

1. EMC (Compatibilidad Electromagnética): Las grandes áreas de relleno de cobre en tierra o alimentación actúan como blindajes. Algunos terrenos especiales, como el PGND, proporcionan funciones protectoras.

2. Requisitos de fabricación del PCB: Para asegurar un recubrimiento efectivo o evitar deformaciones durante la laminación, se vierte cobre en las capas del PCB con menos trazas.

3. Requisitos de integridad de la señal: El relleno de cobre proporciona un camino de retorno completo para señales digitales de alta frecuencia y reduce la necesidad de trazas de red de CC. También se utiliza para la disipación de calor y para cumplir con los requisitos especiales de montaje de componentes.

¿Qué es un "Camino de Retorno de Señal (Signal Return Path)"?

El camino de retorno de señal, también conocido como corriente de retorno, se refiere al camino a través del cual la corriente fluye de regreso al controlador. En la transmisión de señales digitales de alta velocidad, la señal viaja desde el controlador a lo largo de la línea de transmisión del PCB hasta la carga, y luego regresa de la carga a través del camino más corto, vía la capa de tierra o de alimentación, hasta el controlador. Este retorno de señal se denomina camino de retorno de señal.

El Dr. Johnson explicó en su libro que la transmisión de señales de alta frecuencia es esencialmente un proceso de carga de la capacitancia dieléctrica entre la línea de transmisión y la capa de CC. El análisis de Integridad de Señal (SI) examina las propiedades electromagnéticas de este campo y su acoplamiento.

Problemas de apilamiento en PCBs de alta frecuencia

Para una placa de 4 capas, definir un pad o vía como multilayer asegura que aparezca en las cuatro capas. Si se define solo para la capa superior, solo aparecerá en la capa superior. Los apilamientos incorrectos de capas pueden agravar los problemas de EMI, desajustes de impedancia y problemas térmicos, afectando el rendimiento de la placa. Algunas soluciones para estos problemas son:

• Optimizar la configuración de capas: Utilice planos dedicados de tierra y alimentación para mejorar el blindaje EMI y mantener la integridad de la señal.
• Selección de material dieléctrico: Elija materiales con un bajo factor de disipación (Df) y una constante dieléctrica estable (Dk) para minimizar la pérdida de señal.
• Planificación de capas de señal: Asegúrese de que las señales críticas de alta frecuencia tengan planos de referencia adyacentes para minimizar el ruido y el cruce de señales (crosstalk).
• Gestión térmica: Utilice planos de cobre y vías térmicas para disipar el calor de manera eficiente.

Example: Manejo de potencia (Power Handling) en un PCB de 12 capas con tres capas de alimentación (2.2V, 3.3V, 5V):

Tener las tres fuentes de alimentación en tres capas separadas mejora la calidad de la señal, ya que la división de capas entre planos es poco probable. La división entre capas es un factor crítico que afecta la calidad de la señal, aunque los software de simulación generalmente lo ignoran. Para los planos de alimentación y tierra, ambos son equivalentes para señales de alta frecuencia.

En la práctica, además de considerar la calidad de la señal, se deben considerar factores como el acoplamiento de planos de alimentación (utilizando planos de tierra adyacentes para reducir la impedancia de AC de los planos de alimentación) y el apilamiento simétrico de capas.

¿Cómo pueden los arreglos de apilamiento ayudar a reducir los problemas de EMI?

La EMI debe abordarse a nivel de sistema; el PCB por sí solo no puede resolver todos los problemas. En cuanto al diseño de apilamiento para la reducción de EMI, el objetivo es proporcionar el camino de retorno más corto para las señales, minimizar el área de acoplamiento y suprimir la interferencia en modo diferencial.

Además, acoplar estrechamente las capas de tierra y alimentación, con la capa de alimentación retraída adecuadamente en relación con la capa de tierra, ayuda a mitigar la interferencia en modo común.

Selección de material de alta frecuencia

Elegir el material del PCB requiere encontrar un equilibrio entre cumplir con los requisitos de diseño, la capacidad de fabricación y el costo. Los requisitos de diseño incluyen aspectos eléctricos y mecánicos. Cuando se diseñan PCBs de muy alta velocidad (frecuencias mayores a GHz), las consideraciones de material se vuelven más críticas.

Por ejemplo, el material FR-4, comúnmente utilizado, puede causar una atenuación significativa de la señal debido a la pérdida dieléctrica en frecuencias de varios GHz, lo que lo hace inapropiado. Desde el punto de vista eléctrico, la constante dieléctrica y la pérdida dieléctrica del material deben ser compatibles con la frecuencia diseñada. Materiales como FR-4 pueden no ser suficientes para frecuencias ultra-altas debido a sus mayores variaciones de Df y Dk. Algunas soluciones para este problema son:

• Utilizar laminados especializados de alta frecuencia como Rogers, Isola o Taconic, que soportan una transmisión estable de señales.

• Validar la compatibilidad del material con los procesos de fabricación para evitar delaminado o deformaciones.

Consejos para evitar las interferencias de alta frecuencia

La idea básica para evitar la interferencia de alta frecuencia es minimizar la interferencia del campo electromagnético de señales de alta frecuencia, también conocida como cruce de señales (crosstalk). Esto se puede lograr aumentando la distancia entre señales de alta velocidad y señales analógicas o agregando trazas de protección a tierra/desviación junto a las señales analógicas. Además, debe prestarse atención a la interferencia de ruido de tierra digital a tierra analógica.

Simulación y pruebas:

Los fabricantes están utilizando pruebas con rayos X para detectar problemas como defectos en la grabado o en la laminación. Para las placas terminadas después del montaje SMT, se suele usar ICT (In-Circuit Testing), lo que requiere que se añadan puntos de prueba ICT durante el diseño del PCB. Si surgen problemas, el equipo especializado de inspección por rayos X puede identificar si los fallos fueron causados durante la fabricación. Algunas soluciones son:

• Utilizar herramientas de simulación como HFSS o ADS para modelar el comportamiento de la señal.

• Realizar un análisis de Integridad de Señal (SI) y Integridad de Potencia (PI) para validar las suposiciones de diseño.

• Usar Time Domain Reflectometry (TDR) y Vector Network Analyzers (VNA) para la validación en condiciones reales.

Al abordar cuidadosamente los desafíos de enrutamiento y apilamiento, los diseños de PCBs de alta frecuencia pueden lograr una transmisión de señales confiable, con mínimo ruido y un rendimiento constante. La selección adecuada de materiales, la optimización del apilamiento de capas y las pruebas exhaustivas aseguran que sus diseños cumplan con las exigencias de aplicaciones de alta velocidad modernas.

¿Qué son los cupones de prueba (Test Cupons)?

Los cupones de prueba se utilizan para medir la impedancia característica de un PCB fabricado mediante un Time Domain Reflectometer (TDR) para garantizar que cumpla con los requisitos de diseño. Normalmente, la impedancia controlada incluye líneas simples y pares diferenciales. Por lo tanto, el ancho de traza y el espaciado en el cupon de prueba (para los pares diferenciales) deben coincidir con las líneas controladas en el PCB.

El aspecto más crítico es la ubicación del punto de tierra durante la medición. Para minimizar la inductancia del cable de tierra, el punto de tierra de la sonda TDR suele estar muy cerca del punto de medición de la señal (punta de la sonda). Así, la distancia y el método del punto de medición de la señal y el punto de tierra en el cupon de prueba deben coincidir con la sonda que se está utilizando.

Puntos de prueba en señales de alta velocidad: Si la calidad de la señal se ve afectada depende de cómo se añaden los puntos de prueba y la velocidad de la señal. Generalmente, los puntos de prueba externos (sin usar vías existentes o pines DIP como puntos de prueba) pueden añadirse directamente en la traza o mediante una pequeña rama extraída de la traza.

En principio, los puntos de prueba deben ser lo más pequeños posible (siempre cumpliendo los requisitos del equipo de prueba), y las ramas deben mantenerse lo más cortas posible.

Preguntas Frecuentes (FAQ):

1. ¿Puede recomendar algunos libros y recursos sobre diseño de PCBs de alta velocidad?

• "Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic" de Howard Johnson.
• "Signal and Power Integrity – Simplified" de Eric Bogatin
• "Electromagnetic Compatibility Engineering" de Henry W. Ott.

Estos libros cubren temas como integridad de señal, EMI (interferencia electromagnética) y estrategias prácticas de diseño. Recursos en línea como los blogs de Cadence, Keysight y JLCPCB también ofrecen tutoriales valiosos y consejos de diseño.

2. ¿El diseño de placas flexibles y rígidas-flexibles requiere software y estándares especializados?

Sí, el diseño de PCBs flexibles y rígidas-flexibles a menudo requiere software especializado como Altium Designer, Cadence Allegro o Mentor Graphics, ya que estas herramientas admiten características únicas como simulaciones de flexión y configuraciones de apilamiento de capas. Los estándares como IPC-2223 son esenciales para garantizar la fiabilidad, cubriendo pautas para la selección de materiales, tolerancias de flexión y enrutamiento de trazas.