Com a introdução do HDI stackup, uma técnica de ponta no projeto de PCBs multicamadas, os designers deverão conseguir criar placas cada vez mais complexas e compactas nos próximos anos. Estabelecer precisamente as necessidades do projeto é o primeiro passo para projetar um stackup de PCB. Determinar o número de camadas necessárias é a etapa inicial; isso depende da complexidade do circuito, da densidade de sinal, dos requisitos de distribuição de energia e se o projeto exige sinais de RF ou alta velocidade.

A fabricação de PCBs HDI começou no final dos anos 1980. A construção sucessiva de PCBs em 1984 marcou o início da primeira fabricação HDI. Desde então, fabricantes e designers têm buscado constantemente métodos para acomodar mais componentes em menos espaço. De acordo com as normas IPC-2315 e IPC-2226, as placas HDI são projetadas e fabricadas. Este artigo abordará os seguintes tópicos: o que é um stack-up de PCB, por que é importante, como escolher um, configurações típicas de stack-up e questões de controle de impedância para PCBs HDI.

1.    O que é um Stack-Up de PCB?

A disposição das camadas de cobre e isolamento em uma PCB é conhecida como stack-up. Ele determina a distribuição dos planos de energia e das trilhas de sinal entre as camadas. Isso tem impacto direto no controle térmico e no desempenho elétrico. Múltiplas camadas com configurações precisas são frequentemente usadas em stack-ups para designs HDI a fim de obter alta densidade de interconexão. No entanto, algumas questões ainda permanecem. Por exemplo, como escolher as camadas? Existe uma fórmula? Devo usar quatro ou seis camadas? Ao final deste artigo, todas essas perguntas terão sido respondidas. Embora não haja uma fórmula fixa, existem princípios básicos de design que devem ser seguidos; caso contrário, podem surgir problemas como:

⦁ Desajuste de Impedância

⦁ Problemas com atraso térmico EMI/EMC

2.    Diretrizes de Design para um Stackup de PCB Adequado:

Para criar produtos de alta qualidade, os designers devem seguir certas diretrizes, como em qualquer outro processo de design ou fabricação. Como você já sabe, antes do produto final ser produzido, os eletrônicos devem passar por várias etapas envolvendo diferentes componentes.

⦁ Porque permitem o roteamento de sinais em strip lines e reduzem significativamente o ruído de terra ao diminuir a impedância de terra, os planos de terra são cruciais.

⦁ O plano de terra serve como escudo para reduzir a radiação em altas velocidades, e os sinais de alta velocidade devem ser roteados em uma camada intermediária entre camadas.

⦁ Para melhores resultados, as camadas de sinal devem ser posicionadas próximas ao plano de terra.

⦁ Para operação eficaz, os planos de massa e as conexões de energia devem ser cuidadosamente planejados.

⦁ Para garantir desempenho equilibrado, a configuração da PCB deve ser simétrica.

⦁ Manter a integridade adequada do sinal requer atender aos requisitos de impedância do sinal.

⦁ Ao projetar, a espessura de cada camada de sinal deve ser considerada.

⦁ Para garantir que os materiais atendam às especificações do design, suas propriedades mecânicas, químicas, elétricas e térmicas devem ser avaliadas.

3.    Diretrizes de Design para Roteamento Eficaz de Sinais:

O roteamento de placas HDI se tornará cada vez mais complicado à medida que a densidade de componentes aumenta. Para que o design de PCB HDI suporte roteamento de alta densidade, a largura da trilha, o tamanho da via e o espaçamento devem ser mantidos mínimos. O design de PCB HDI exige que todos os componentes restantes sejam roteados após o roteamento de todos os componentes de sinal principais, capacitores de desacoplamento e ICs.

Para reduzir o ruído e o crosstalk causados por sinais de alta velocidade, recomenda-se projetar placas multicamadas com camadas de terra e energia como camadas internas. A disposição dessas camadas de terra e energia é tal que a camada de terra está diretamente abaixo da camada de sinal, que serve como camada de referência e canal de retorno para os sinais diferenciais na camada superior. Para reduzir a impedância, a camada de energia é posicionada após a camada de terra.

Para dar a cada sinal seu próprio plano de terra, o cobre deve ser derramado no conceito de plano dividido. Ao fazer isso, o design de PCB HDI funcionará melhor sem interferência de sinais próximos e o ruído produzido por vários sinais e componentes. Abaixo estão algumas das regras de design de PCB multicamada mais frequentemente usadas.

4.    Como Escolher o Número de Camadas:

Enquanto placas complexas que utilizam FPGAs, SoCs ou aplicações de RF frequentemente requerem 6 a 8 ou mais camadas, designs simples podem precisar apenas de 2 a 4 camadas. Planos de terra adicionais e configurações de camadas cuidadosamente consideradas são geralmente necessários para circuitos de alta velocidade e designs sensíveis a EMI

Cada camada no stackup deve ter um propósito distinto. Enquanto as camadas de sinal são utilizadas para roteamento de trilhas, os planos de terra oferecem caminhos de retorno de baixa impedância que são essenciais para a integridade do sinal, particularmente para comunicações de alta velocidade. Vários planos de energia podem ser necessários em designs densos, já que os planos de energia são utilizados para distribuir tensão por toda a placa. Para reduzir ruído e interferência eletromagnética, as camadas de sinal devem estar idealmente próximas aos planos de terra. Espaços analógicos e digitais devem ser cuidadosamente separados em arquiteturas de sinal misto.

5.    Designs de Stack-up de Camadas:

O ruído pode ser minimizado ao selecionar o stackup de camadas de acordo com as especificações do design. Por exemplo, um sinal se propaga mais rapidamente se seu caminho for colocado sobre um plano de terra. Além disso, ao adicionar um plano de energia ao stack-up, menos trilhas são necessárias, permitindo o uso de vias para fornecer VCC ou 5V.

6.    Stack-Up de PCB de 4 Camadas:

Stackup de 4 Camadas 1 (Padrão para Uso Geral):

Camada 1: Sinal (Top)

Camada 2: Plano de Terra (GND)

Camada 3: Plano de Energia (VCC)

Camada 4: Sinal (Bottom)

Stackup de 4 Camadas 2 (Foco em Integridade de Sinal):

Camada 1: Sinal

Camada 2: Terra

Camada 3: Terra/Energia (Dividido se necessário)

Camada 4: Sinal

7.    Stack-Up de PCB de 6 Camadas:

Stackup de 6 Camadas 1 (Sinais de Alta Velocidade):

Camada 1: Sinal

Camada 2: Terra

Camada 3: Sinal

Camada 4: Sinal

Camada 5: Energia

Camada 6: Sinal

Stackup de 6 Camadas 2 (Foco em Integridade de Energia):

Camada 1: Sinal

Camada 2: Terra

Camada 3: Energia

Camada 4: Terra

Camada 5: Sinal

Camada 6: Sinal

8.    Stack-Up de PCB de 8 Camadas:

Stackup de 8 Camadas 1 (Controle de EMI, Designs de Alta Velocidade):

Camada 1: Sinal

Camada 2: Terra

Camada 3: Sinal

Camada 4: Energia

Camada 5: Terra

Camada 6: Sinal

Camada 7: Terra

Camada 8: Sinal

Stackup de 8 Camadas 2 (Distribuição Densa de Energia):

Camada 1: Sinal

Camada 2: Terra

Camada 3: Sinal

Camada 4: Energia

Camada 5: Energia

Camada 6: Sinal

Camada 7: Terra

Camada 8: Sinal

Conclusão:

A aplicação da PCB e do circuito determinam qual stack-up é melhor, variando de 2 camadas a placas HDI de 10 camadas. Stack-ups de alta velocidade são mais caros porque precisamos considerar muitos fatores como EMI e integridade de sinal. A PCB pode se tornar inadequada para aplicações de alta velocidade se a qualidade do stackup não for projetada considerando esses aspectos. Trabalhar com um fabricante confiável como a JLCPCB é essencial. Como uma das principais fabricantes de PCB, a JLCPCB oferece linhas de produção de última geração que garantem que mesmo os designs de alta velocidade mais complexos sejam fabricados de forma confiável e econômica. Isso não apenas garante uma produção tranquila, mas também permite que os engenheiros levem tecnologias de ponta e compactas ao mercado mais rapidamente.