¿Cómo dominar el diseño de apilado de PCB?

Como ingeniero de diseño de PCB, es fundamental contar con las capacidades de diseño pertinentes. Estas capacidades esenciales incluyen el diseño de PCB, el diseño de apilamiento de PCB, el procesamiento de la conexión a tierra de la alimentación, el enrutamiento de señales DDR, el enrutamiento de señales de alta velocidad, el enrutamiento de señales clave, la inspección DRC, etc. Hoy les compartiré: Diseño de apilamiento de PCB.

Diseño de apilamiento de PCB

El número de capas de una PCB depende de la complejidad de la placa de circuito. Desde la perspectiva del proceso de procesamiento de PCB, una PCB multicapa se fabrica apilando y prensando múltiples "PCB de doble cara". Sin embargo, el número de capas de una PCB multicapa, el orden de apilamiento entre capas y la selección de los materiales de la placa los determina el diseñador de la placa, lo que se conoce como "diseño de apilamiento de PCB".

Requisitos de capacidad para el ingeniero de diseño de PCB: dominar la composición del apilado de PCB, los requisitos del diseño del apilado, utilizar herramientas para el diseño del apilado y el control del cálculo de impedancia, y dominar los principios básicos de la configuración del apilado de PCB.

El número de capas y el esquema de apilado de un diseño de PCB dependen de los siguientes factores:

1. Coste del hardware: El número de capas de PCB está directamente relacionado con el coste final del hardware. A mayor número de capas, mayor coste del hardware. El número máximo de capas de PCB para productos de consumo suele ser limitado. Por ejemplo, el número de capas de PCB de la placa base de los ordenadores portátiles suele ser de 4 a 6, y rara vez supera las 8.

2. Salida de componentes de alta densidad: En componentes de alta densidad, como dispositivos con encapsulado BGA, el número de capas de salida determina básicamente el número de capas de cableado de la placa PCB.

3. Control de calidad de la señal: En diseños de PCB con señales de alta velocidad relativamente concentradas, si se prioriza la calidad de la señal, es necesario reducir el cableado de las capas adyacentes para reducir la diafonía entre señales. En este caso, la relación entre el número de capas de cableado y el número de capas de referencia (capa de tierra o capa de alimentación) es preferiblemente de 1:1, lo que aumenta el número de capas de diseño de la PCB. Por el contrario, si no existe un requisito obligatorio para el control de calidad de la señal, se puede utilizar la solución de capas adyacentes para reducir el número de capas de la PCB.

4. Definición esquemática de la señal: La definición esquemática de la señal determinará si el cableado de la PCB es uniforme. Una definición esquemática deficiente provocará un cableado irregular de la PCB y aumentará el número de capas de cableado. 5. Base de capacidad de procesamiento del fabricante de PCB: El esquema de diseño de apilamiento (método de apilamiento, grosor de apilamiento, etc.) proporcionado por el diseñador de PCB debe considerar plenamente la base de capacidad de procesamiento del fabricante, como: flujo de procesamiento, capacidades del equipo de procesamiento, modelos comunes de placas PCB, etc.

Principios generales del diseño de apilamiento de PCB

Cumplir con los requisitos de impedancia característica de la señal; cumplir con el principio de minimización del bucle de señal; cumplir con los requisitos de minimización de la interferencia de la señal dentro de la PCB; cumplir con el principio de simetría.

En concreto, los ingenieros de PCB deben prestar atención a los siguientes 9 aspectos al diseñar placas multicapa:

1. Una capa de señal debe estar adyacente a una capa de cobre, y ambas deben estar separadas. Lo ideal es que cada capa de señal esté adyacente a al menos una capa de cobre. La capa de señal debe estar estrechamente acoplada con la capa de cobre adyacente (es decir, el espesor dieléctrico entre ambas capas debe ser muy pequeño).

2. El cobre de alimentación y el de tierra deben estar estrechamente acoplados y ubicados en el centro de la pila. Acortar la distancia entre las capas de alimentación y tierra favorece la estabilidad de la fuente de alimentación y reduce la EMI. Evite que la capa de señal quede atrapada entre las capas de alimentación y tierra. La proximidad entre el plano de alimentación y el plano de tierra es similar a la formación de un condensador plano. Cuanto más cerca estén ambos planos, mayor será el valor de la capacitancia. La función principal de este condensador es proporcionar una ruta de retorno de baja impedancia para el ruido de alta frecuencia (como el ruido de conmutación), de modo que la entrada de alimentación del dispositivo receptor tenga menores ondulaciones y mejore su rendimiento.

3. En caso de alta velocidad, se pueden añadir capas de tierra adicionales para aislar la capa de señal. Varias capas de cobre de tierra pueden reducir eficazmente la impedancia de la PCB y la EMI de modo común. Sin embargo, se recomienda no añadir más capas de potencia para el aislamiento, ya que esto podría causar interferencias de ruido innecesarias.

4. Las señales de alta velocidad del sistema deben ubicarse en la capa interna y entre las dos láminas de cobre, de modo que estas las apantallan y limitan su radiación a las dos áreas de las láminas.

5. Priorizar el modelo de línea de transmisión de señales de alta velocidad y señales de reloj, diseñar un plano de referencia completo para estas señales y evitar cruzar el área de partición del plano para controlar la impedancia característica y garantizar la integridad de la ruta de retorno de la señal.

6. Situación en la que dos capas de señal son adyacentes. Para placas con señales de alta velocidad, el apilamiento ideal consiste en diseñar un plano de referencia completo para cada capa de señal de alta velocidad; sin embargo, en la práctica, siempre es necesario encontrar un equilibrio entre el número de capas de PCB y su coste. En este caso, es inevitable que haya dos capas de señal adyacentes. La práctica actual consiste en aumentar la separación entre las dos capas de señal y enrutarlas lo más verticalmente posible para evitar la diafonía de señales entre ellas.

7. Es recomendable colocar las capas de cobre en pares. Por ejemplo, las capas 2 y 5, o la 3 y 4 de una placa de seis capas, deben estar unidas mediante cobre. Esto se debe a los requisitos de una estructura balanceada, ya que las capas de cobre desbalanceadas pueden causar deformaciones en la PCB.

8. La superficie secundaria (es decir, la capa cercana a la superficie) está diseñada como capa de tierra, lo que contribuye a reducir la EMI.

9. Calcule el número de capas de señal necesarias en función de la densidad del dispositivo de la PCB y la densidad de pines, y determine el número total de capas.

Al realizar el diseño de apilamiento, los ingenieros de diseño de PCB deben aplicar con flexibilidad los principios anteriores y seleccionar la estructura de capas de la placa más adecuada según los requisitos del sistema.