1. ¿Qué es una pila de PCB multicapa?
Por lo general, al diseñar placas estándar de una o dos caras, no es necesario considerar la disposición de las capas. Normalmente se seleccionan laminados con un espesor de cobre y un espesor de placa que cumplan con los requisitos de diseño para su procesamiento directo. Sin embargo, al diseñar placas de circuito impreso con cuatro o más capas, la disposición de las capas influye directamente tanto en el rendimiento como en el coste.
Las PCB multicapa se fabrican laminando placas con núcleo revestido de cobre, preimpregnado (PP) y lámina de cobre según el diseño de apilamiento a través de un proceso de compresión.
Antes de comenzar el diseño de la PCB, los ingenieros de diseño determinan el número de capas en función de las dimensiones de la placa, la escala del circuito y los requisitos de EMC. A continuación, establecen la colocación de los componentes y finalizan la división de las capas de señal, los planos de alimentación y los planos de tierra.
2. Principios de diseño de laminados de PCB
El diseño de laminados para PCB requiere la consideración de múltiples factores, incluyendo el número de capas, el tipo de señal, el grosor de la placa, la selección del material, el grosor del cobre, el control de impedancia, el blindaje EMI/EMC, la gestión térmica, el coste y la capacidad de prueba.
Cumplimiento de los requisitos de integridad de señal para el enrutamiento de señales de alta velocidad
Para las trazas de señal críticas, se debe implementar una configuración de apilamiento GND/Señal/GND. Las capas de señal adyacentes deben utilizar líneas de transmisión con enrutamiento perpendicular para minimizar la diafonía. Desde la perspectiva de la integridad de la señal, las señales críticas de alta velocidad deben emplear enrutamiento por línea de transmisión, mientras que las señales no críticas de alta velocidad pueden optar por el enrutamiento por microcinta.
No se recomienda el uso de líneas de transmisión acopladas lateralmente a menos que sea absolutamente necesario. Las desviaciones durante los procesos de exposición y grabado de la PCB pueden causar desalineación, lo que dificulta la fabricación y compromete la consistencia de la impedancia.
Selección de sustratos para PCB, polipropileno y lámina de cobre
El FR-4 cumple con la mayoría de los requisitos de las PCB gracias a su bajo costo y buen rendimiento eléctrico. Las PCB de alta velocidad suelen utilizar materiales de alta velocidad como el Megtron 4/6 de Panasonic. Las PCB de radiofrecuencia (RF) emplean sustratos de carbono-hidrógeno, teflón o cerámica. Los diseños con altas exigencias de disipación térmica, como las placas de iluminación para automóviles, utilizan sustratos de aluminio o cobre. Los sustratos de vidrio son comunes en aplicaciones de visualización como Mini LED.
| Especificaciones de la placa PCB | |
| Propiedades eléctricas | Factor de pérdida dieléctrica (df) |
| Constante dieléctrica (dk) | |
| Resistencia a la tensión | |
| Propiedades físicas | Temperatura de transición vítrea (Tg) |
| Temperatura de descomposición térmica (Td) | |
| Índice de arrastre y seguimiento relativo (CTI) | |
| Resistencia CAF | |
| Absorción de agua | |
| Inflamabilidad | |
| Conductividad térmica | |
| Propiedades mecánicas | Resistencia al despegue de la lámina de cobre |
| Resistencia a la flexión | |
| Estrés térmico | |
Selección de materiales para PCB de alta velocidad
Las placas de circuito impreso de alta velocidad requieren materiales dieléctricos con la menor tangente de pérdidas y la mínima constante dieléctrica. El diseño de estas placas exige una atención especial a las especificaciones de los materiales, como la fibra de vidrio, la matriz dieléctrica y el cobre. Las señales con velocidades de datos más altas presentan componentes de mayor frecuencia y longitudes de onda más cortas, donde las discontinuidades de impedancia generan mayores reflexiones. Entre las consideraciones se incluyen los efectos del patrón de la fibra de vidrio y la rugosidad superficial de la lámina de cobre.
Efecto de la fibra de vidrio introducido por la tela de fibra de vidrio
Las distintas fibras de vidrio presentan diferentes densidades de tejido, espesores de ventana y espesores de entrelazado. Cuando las señales se transmiten a través de ventanas en lugar de fibras de vidrio, sus características (impedancia, retardo, pérdida) difieren (debido a las distintas propiedades de Dk/Df entre ventanas y fibras de vidrio). Este fenómeno se conoce como efecto de fibra de vidrio.
Métodos para mitigar el efecto de la fibra de vidrio:
Seleccionar materiales de fibra de vidrio con ventanas de resina minimizadas.
Utilice técnicas de enrutamiento como el zigzag en ángulos de 10°.
Solicitar al fabricante de PCB que gire la placa un ángulo específico durante la fabricación.
Utilice tela de vidrio de tejido plano o liso.
Rugosidad del cobre
La rugosidad del cobre (picaduras) provoca un ancho y espaciado irregulares en las pistas, lo que genera una impedancia incontrolable. Además, debido al efecto pelicular, la corriente se concentra cerca de la superficie del conductor. La rugosidad superficial del cobre afecta la longitud de propagación de la señal.
3. Grosor de cobre por capa de PCB
El espesor de la lámina de cobre de las placas de circuito impreso (PCB) se mide en onzas (oz). Los espesores comunes incluyen 0,5 oz (capas internas), 1 oz (capas externas) y 2 oz, utilizados principalmente en productos de consumo y comunicaciones. El cobre de más de 3 oz se emplea generalmente en electrónica de potencia de alto voltaje y alta corriente.
El diseño de la estructura de capas debe equilibrar el espesor del cobre para garantizar que las capas de alimentación/tierra cumplan con los requisitos de conducción de corriente. En cuanto al espesor del cobre de la capa de señal, los anchos/espaciados de línea más pequeños requieren un cobre más delgado para cumplir con los requisitos de grabado precisos. Las pistas de señal de alta velocidad experimentan el efecto pelicular, donde la corriente fluye principalmente cerca de la superficie de la lámina de cobre. Un mayor espesor de cobre no mejora el rendimiento. Por lo tanto, el cobre de la capa interna de señal suele ser de 0,5 oz.
Control de impedancia de capa
Muchas pistas de señal de interfaz en las PCB tienen requisitos de impedancia, como 50 Ω para conexiones simples o 100 Ω para conexiones diferenciales. El control de impedancia requiere un plano de referencia, que normalmente requiere cuatro o más capas.
La falta de coincidencia de impedancia provoca distorsión de la señal, reflexiones y radiación, problemas de integridad de la señal que degradan el rendimiento de la PCB. Los parámetros de las pistas, como el grosor del cobre, la constante dieléctrica, el ancho y el espaciado, afectan a la impedancia. Podemos calcular la impedancia mediante herramientas EDA y ajustar los parámetros de las pistas según la configuración de capas diseñada. La mayoría de los fabricantes de PCB estándar pueden lograr el control de la impedancia dentro de la norma 10%.
4. Apilamiento de capas mediante estructura
Los agujeros pasantes (PTH) atraviesan toda la placa de circuito impreso (PCB), conectando todas las capas. Las vías ciegas conectan las capas exteriores con una o más capas interiores sin atravesar la PCB. Las vías enterradas conectan únicamente las capas interiores.
Las placas de circuito impreso de interconexión de alta densidad (HDI) suelen emplear vías ciegas y enterradas para optimizar el espacio de enrutamiento. Sin embargo, estas vías requieren múltiples pasos de laminación, lo que aumenta la complejidad y el coste de fabricación.
Durante el diseño de laminados, la estructura general de vías debe planificarse de acuerdo con los requisitos de diseño. Siempre que sea posible, simplifique las configuraciones de vías manteniendo la integridad del diseño.
5. Diseño EMC para laminados de PCB
El diseño EMC de la estructura de PCB sigue estos principios:
Los planos de alimentación y los planos de tierra deben ubicarse lo más cerca posible entre sí dentro de la placa, generalmente con el plano de tierra por encima del plano de alimentación. Este diseño utiliza eficazmente la capacitancia entre capas como capacitancia de suavizado para la fuente de alimentación, a la vez que apantalla las corrientes radiadas que se distribuyen desde el plano de alimentación.
Los planos de alimentación y tierra deben ubicarse en las capas internas. El plano de tierra puede funcionar como una capa de blindaje, suprimiendo eficazmente las interferencias de radiofrecuencia (RF) de modo común inherentes a la placa y reduciendo la impedancia distribuida de las fuentes de alimentación de alta frecuencia.
Siempre que sea posible, las capas de enrutamiento deben ubicarse adyacentes a los planos de alimentación o de tierra para generar efectos de cancelación de flujo.
6. Diseño térmico de laminados de PCB
El diseño de la estructura de la PCB debe incorporar la gestión térmica para garantizar una disipación de calor eficiente de los componentes, evitando daños térmicos y mejorando la fiabilidad del circuito. Durante el proceso de diseño, se realiza primero una simulación térmica basada en la disipación de potencia de los componentes. A partir de los resultados de la simulación, se optimiza la disposición de los componentes y se diseñan las soluciones de disipación de calor correspondientes.
Durante la fase de diseño de la estructura apilable, también se pueden implementar medidas de diseño térmico específicas:
Priorizar los sustratos con alta conductividad térmica; seleccionar placas con núcleo metálico según sea necesario;
Diseñar disipadores de calor debajo de los componentes de alta potencia y utilizar orificios de disipación de calor;
Insertar bloques y pilares de cobre para mejorar la eficiencia de la conducción térmica;
Aumentar las superficies de contacto con el suelo y rellenar las zonas no utilizadas con dichas superficies para ampliar la superficie de disipación de calor.
Control del espesor del tablero
Los espesores estándar de las PCB incluyen 0,5 mm, 0,8 mm, 1,0 mm, 1,2 mm, 1,6 mm, 2,0 mm, 3,2 mm, 6,4 mm, etc. Las placas más pequeñas suelen utilizar materiales más delgados, mientras que las placas más grandes sometidas a inserciones/extracciones frecuentes o a altas tensiones de montaje requieren materiales más gruesos para garantizar la fiabilidad estructural.
7. Pasos para el diseño de laminados de PCB
El diseño de laminados para PCB generalmente sigue estos pasos:
1. Determine el espesor total de la pila (espesor del tablero);
2. Defina el número de capas de PCB y asigne las capas de señal, los planos de tierra y los planos de alimentación;
3. Especifique el espesor del cobre para las capas interna y externa;
4. Determinar la distribución de la traza de impedancia;
5. Determinar la estructura de la vía;
6. Determine la tasa de llenado de cobre para cada capa, preferiblemente simétrica;
7. Seleccione materiales de sustrato, PP y lámina de cobre que cumplan con los requisitos de diseño.
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