Acredite que a Lei de Moore esteja morta ou viva, o forte incentivo econômico para concentrar mais poder de processamento em formatos cada vez menores dificilmente diminuirá em breve. Com a entrada do HDI stackup — uma tecnologia na vanguarda do design de PCBs multicamadas que promete ajudar os projetistas de PCB a criar placas complexas menores nos próximos anos. O stack-up em um design de placa de circuito impresso (PCB) é um elemento crítico que influencia o desempenho, a fabricabilidade e a confiabilidade da placa. Em PCBs de Alta Densidade de Interconexão (HDI), as estratégias de stack-up tornam-se ainda mais essenciais devido aos seus designs compactos e estruturas de camadas complexas.

A fabricação de PCB HDI começou no final dos anos 1980. A primeira produção de HDI começou em 1984 com a construção sequencial de PCBs. Desde então, projetistas e fabricantes sempre buscam maneiras de empacotar mais componentes na placa em áreas menores. As placas HDI são projetadas e fabricadas de acordo com as normas IPC-2315 e IPC-2226. Este blog explora o que é um stack-up de PCB, por que ele é essencial, métodos para escolher um stack-up, configurações de stack-up comumente utilizadas e considerações para controle de impedância em PCBs HDI. Para saber mais sobre designs de PCB, veja nosso artigo recente sobre Vias usados em PCBs.

O que é um Stack-Up de PCB?

Um stack-up de PCB refere-se à disposição das camadas de cobre e isolamento em uma PCB. Ele determina como os traços de sinal e os planos de energia são distribuídos pelas camadas, impactando o desempenho elétrico e o gerenciamento térmico. Para designs HDI, os stack-ups geralmente envolvem múltiplas camadas com configurações precisas para alcançar alta densidade de interconexão.

Por que precisamos de um Stack-Up de PCB?

O design de PCB HDI é como um quebra-cabeça multidimensional. Aqui estão algumas considerações comuns de design que você precisará levar em conta no seu projeto de PCB HDI:

Controle de Impedância: Você vai querer manter tolerâncias rigorosas (dentro de ±10%) nas espessuras das camadas dielétricas, larguras de traços e espaçamentos para garantir que a impedância não afete a integridade do sinal.

EMI/EMC: Todas essas considerações de radiação, como evitar antenas acidentais e ruído, se aplicam, especialmente porque o HDI é usado para designs de sinais de alta velocidade.

Térmico: O HDI frequentemente leva a um desempenho térmico melhorado, porém você ainda vai querer considerar a estabilidade térmica dos microvias e larguras de traços em designs de sinais de alta velocidade.

A necessidade de considerar aspectos físicos, eletromagnéticos e térmicos em um design de PCB HDI adiciona muita complexidade ao processo de design. Felizmente, as ferramentas de software de EDA (automação de design eletrônico) evoluíram para facilitar a resolução de problemas de PCB multidimensionais.

Regras para um Design Adequado de Stack-Up de PCB:

Como em qualquer outro design ou fabricação de produto, os projetistas precisam seguir algumas regras para produzir produtos da mais alta qualidade. Como você já sabe, os eletrônicos passam por vários processos que envolvem diferentes componentes antes de produzir o produto final. Portanto, os projetistas devem garantir que identifiquem e sigam práticas comprovadas de design de stack-up de PCB. Para o design de stack-up de PCB, algumas regras devem ser seguidas para obter os melhores resultados.

• O uso de planos de terra é essencial, pois permite que os sinais sejam roteados em strip lines e reduz significativamente o ruído de terra ao diminuir a impedância de terra.
• Sinais de alta velocidade devem ser roteados em uma camada intermediária entre os níveis, com o plano de terra atuando como escudo para suprimir radiação em altas velocidades.
• As camadas de sinal devem ser posicionadas próximas ao plano de terra para um desempenho ideal.
• Planos de massa e conexões de energia devem ser cuidadosamente projetados para funcionamento eficiente.
• A configuração do PCB deve ser simétrica para garantir desempenho equilibrado.
• Os requisitos de impedância do sinal devem ser atendidos para manter a integridade adequada do sinal.
• A espessura de cada camada de sinal deve ser considerada durante o processo de design.
• As propriedades térmicas, elétricas, químicas e mecânicas dos materiais devem ser avaliadas para garantir que atendam aos requisitos de design.

Colaborar com seu fabricante de PCB durante esse processo garante viabilidade e aderência aos padrões da indústria.

Como Rotear Placas HDI:

À medida que a densidade de componentes aumenta, o roteamento das placas HDI também se torna muito complexo. A largura do traço, o tamanho da via e o espaçamento devem ser minimizados para acomodar o roteamento de alta densidade no design de PCB HDI. Todos os componentes de sinal crítico, capacitores de desacoplamento e ICs são roteados primeiro e, em seguida, os componentes restantes devem ser completamente roteados no design de PCB HDI.

A melhor prática é criar placas multicamadas e fornecer camadas de terra e energia como camadas internas para minimizar o ruído e o crosstalk causados por sinais de alta velocidade. Essas camadas de terra e energia são posicionadas de tal forma que a camada de terra é colocada logo abaixo da camada de sinal, que atua como caminho de retorno e camada de referência para os sinais diferenciais na camada superior. A camada de energia é posicionada após a camada de terra para reduzir a impedância.

O cobre deve ser derramado no conceito de plano dividido para fornecer a cada sinal um plano de terra separado. Isso evitará o ruído gerado por diferentes sinais e componentes, para um desempenho melhor sem interferência de sinais vizinhos no design de PCB HDI. Algumas das diretrizes mais comuns para design de PCB multicamadas são dadas abaixo.

Stack-Ups de PCB Comumente Utilizados:

Stack-Up de PCB de 2 Camadas: Configuração mais simples com uma camada de sinal e um plano de terra/energia. Pode ser usada em aplicações básicas, como dispositivos IoT simples e eletrônicos de consumo.

Stack-Up de PCB de 4 Camadas: Possui duas camadas de sinal e dois planos (energia e terra). Ideal para designs de baixa frequência e complexidade moderada que exigem melhor controle de EMI.

Stack-Up de PCB de 6 Camadas: Adiciona camadas adicionais de sinal e plano para desempenho aprimorado. Comum em aplicações de médio porte, como dispositivos de comunicação e equipamentos industriais.

Stack-Up de PCB de 8 Camadas: Incorpora múltiplas camadas de sinal e plano para interconexões de alta densidade. Adequado para designs avançados com sinais de alta velocidade e restrições de espaço mais rígidas.

Stack-Up de PCB de 10 Camadas: Oferece ampla distribuição de camadas de sinal, terra e energia. Frequentemente usado em PCBs HDI para aplicações como servidores, sistemas aeroespaciais e tecnologias automotivas.

Cada configuração é adaptada às necessidades específicas de design, com PCBs HDI favorecendo maior número de camadas para acomodar microvias e outros recursos avançados.

Stack-Up de Camadas:

Como qualquer PCB avançado, o sucesso no design HDI vem do design do stackup correto. Embora isso seja certamente verdadeiro em termos de integridade de sinal e energia, também importa para a fabricação; o stackup de PCB HDI utilizado deve estar em conformidade com um conjunto de etapas de processamento padrão necessárias para construir a placa. De acordo com as normas IPC-2226 para PCBs HDI, existem vários tipos de stackups HDI padronizados que ajudam a minimizar os elementos parásitos e melhoram a integridade geral do sinal.

Ao escolher o stackup de camadas de acordo com os requisitos de um design, o ruído pode ser reduzido ao mínimo. Por exemplo, se um caminho de sinal for posicionado sobre um plano de terra, o sinal se propaga mais rapidamente. E ao incluir um plano de energia no stack-up, o número de trilhas pode ser reduzido, permitindo o uso de vias para fornecer VCC ou 5V.

O stackup básico de PCB de 6 camadas com considerações de EMI/EMC:

Camada de Sinal

Plano de Terra

Camada de Sinal

Plano de Energia

Plano de Terra

Camada de Sinal

O stackup básico de PCB de 4 camadas com consideração de EMI/EMC para aplicações de áudio:

Camada de Sinal

Plano de Terra

Plano de Terra

Camada de Sinal

O stackup básico de PCB de 4 camadas projetado para soluções embarcadas:

Camada de Sinal

Plano de Terra

Plano de Energia

Camada de Sinal

Posicionamento de Componentes no Design de PCB HDI:

1. O posicionamento de componentes é crítico no design de PCB HDI, pois impacta diretamente a densidade de roteamento e a integridade do sinal. O planejamento adequado garante os caminhos de roteamento mais curtos.

2. Agrupe componentes com base no fluxo de trabalho do esquemático em seções como analógico, digital, sinais de alta velocidade, sinais mistos, alta frequência e fonte de alimentação. Separe componentes sensíveis e críticos e posicione-os adequadamente.

3. Posicione componentes principais como microprocessadores, microcontroladores, Ethernet e dispositivos de memória no centro da placa, pois eles se conectam à maioria dos outros componentes. Posicione capacitores de desacoplamento, osciladores de cristal e resistores próximos a esses componentes para um fluxo de sinal eficiente.

4. Certifique-se de que todos os componentes estejam orientados na mesma direção para roteamento e montagem eficazes e sem erros.

5. Posicione todos os componentes de montagem em superfície (SMDs) no mesmo lado da placa (superior ou inferior) e componentes de furo passante no lado superior para agilizar o processo de montagem.

6. Separe as seções de circuitos analógicos e digitais para minimizar a interferência de ruído.

7. Posicione capacitores de desacoplamento e bypass o mais próximo possível de suas respectivas seções de circuito para manter a integridade do sinal.

Controle de Impedância no Design de Stack-Up:

A impedância controlada é vital em PCBs HDI para aplicações de alta velocidade e alta frequência. O stack-up influencia diretamente a impedância ao determinar:

• Largura e Espessura do Traço: Ajustadas para alcançar valores de impedância desejados.
• Constante Dielétrica (Dk): Garante propagação consistente do sinal.
• Espaçamento Entre Camadas: Mantém isolamento para reduzir o crosstalk.
• Posicionamento de Planos de Energia e Terra: Fornece planos de referência estáveis para os sinais.

O controle preciso de impedância evita a degradação do sinal, reduzindo erros e garantindo confiabilidade em circuitos avançados.

Conclusão:

O design de stack-up de PCB é essencial tanto para projetistas quanto para engenheiros eletrônicos. A capacidade de criar eletrônicos de alta qualidade requer várias considerações. Sem um design de PCB de alta qualidade, a qualidade e o desempenho do produto podem ser significativamente afetados. Portanto, os projetistas devem garantir que a construção correta do stackup e os materiais de PCB sejam selecionados para obter um produto de alta qualidade. Um stack-up de PCB de alta qualidade contribui significativamente para obter o maior rendimento e produtividade de PCB. Desde configurações simples de 2 camadas até designs HDI complexos de 10 camadas, a escolha do stack-up correto depende dos requisitos da aplicação e da complexidade da PCB.

Stackups projetados para designs de alta velocidade são mais caros do que os utilizados para aplicações que não são de alta velocidade. Compensar a qualidade do stackup em favor do custo pode resultar em má integridade de sinal, tornando o PCB inadequado para aplicações de alta velocidade. Ao focar na seleção adequada de materiais, disposição de camadas e controle de impedância, os projetistas podem criar PCBs de alto desempenho e confiáveis para eletrônicos modernos. Colaborar com um fabricante confiável garante ainda mais que seu design seja traduzido perfeitamente para a produção, preparando o caminho para tecnologias inovadoras e compactas.