Perforación inversa en el diseño de PCB: Una manera fácil de mejorar la integridad de la señal en las vías

Creado: Octobre 22, 2020
Actualizado: Octobre 23, 2020

En los últimos 20 años, los dispositivos electrónicos se han vuelto cada vez más sofisticados. Hace menos de dos décadas, tener un teléfono móvil para hacer llamadas era raro; hoy, nuestros teléfonos potencian nuestras vidas. Para satisfacer la creciente demanda de tecnología para smartphones, la tecnología se ha vuelto más rápida, funcional e intuitiva. Las mejoras en la base de componentes han optimizado los procesos al tiempo que reducen los costos de fabricación.

Los smartphones utilizan señales de mayor frecuencia, lo que resulta en un aumento de la velocidad de procesamiento y una disminución en los bordes de señal. Los ingenieros han tenido que adaptarse a nuevos desafíos causados por la dependencia de espectros de mayor frecuencia.

Los diseñadores de PCB que crean las placas para estos dispositivos se enfrentan a nuevos desafíos a medida que avanza la tecnología. Han tenido que ir más allá de simplemente conectar las salidas de los componentes en los PCBs según los esquemáticos para asegurar que las trayectorias de propagación de señales preserven la integridad y que las pérdidas de señal se minimicen. Para satisfacer estas necesidades, los diseñadores deben seleccionar cuidadosamente los materiales para crear las placas, así como calcular y verificar la impedancia.

Si la tasa de transmisión de datos alcanza varios gigabits por segundo (Gb/s), el diseñador debe excluir completamente o minimizar la heterogeneidad que pueda ocurrir en el camino de la señal. Cualquier heterogeneidad puede cambiar significativamente la forma de la onda, la integridad de la señal y afectar la funcionalidad del dispositivo. Esto es particularmente cierto para las señales que pasan a través de vías, especialmente cuando parte de la vía no se utiliza. Esta parte es heterogénea y tiene un efecto negativo en la señal como se muestra a continuación (Fig.1).

Fig. 1. La señal pasa a través de la vía. Una porción de la vía entre las capas 4 y 6 no se utiliza y crea un stub.

Algunos estudios [1] han ilustrado la fuerte influencia de la parte no utilizada de la vía en la calidad de la señal de alta velocidad (Fig. 2).

Fig. 2. El efecto del stub de la vía en la calidad de la señal de alta velocidad. El stub más largo a la izquierda ilustra una distorsión sustancial que compromete la integridad de la señal. Foto cortesía de [1].

Las múltiples reflexiones provenientes de la heterogeneidad distorsionan las formas, por lo que los diseñadores tienen que igualar la impedancia de las líneas de transmisión. En algunos casos, esto puede realizarse en forma de modificaciones después de que la PCB haya sido fabricada. Existen diferentes maneras de igualar la impedancia, tales como la terminación en serie con una única resistencia de entrada, la coincidencia paralela mediante resistencia de salida, la coincidencia por divisor de voltaje y muchos otros métodos.

Los métodos de terminación requieren el uso de componentes adicionales, lo cual a veces es difícil de implementar, especialmente en placas de circuito impreso densas. Para reducir el número de vías, los diseñadores intentan proporcionar señales de alta velocidad en una sola capa. Pero con la densidad aumentada del ensamblaje de PCB y la intención de los diseñadores de reducir las dimensiones de los dispositivos, este enfoque puede ser desafiante.

Altium Designer puede ayudar al ingeniero a mejorar la calidad de las señales de alta velocidad de una manera bastante simple; un método tal es la tecnología de retro perforación. La parte no utilizada del agujero de metalización se perfora con un diámetro mayor a cierta profundidad. En el ejemplo a continuación, el diseñador tiene que excluir la parte no utilizada de 6 a 4 capas (Fig.3).

Fig. 3. El cobre se perfora de 6 a 4 capas.

El taladrado inverso se puede realizar desde ambos lados y a diferentes profundidades (Fig. 4).

Fig. 4. Diferentes métodos de taladrado inverso.

Cuando se utiliza el taladrado inverso, el diseñador debe recordar que se debe mantener la distancia desde el taladro inverso hasta los componentes y elementos de topología recomendados por el fabricante de PCB. Suele ser un poco más grande que un via estándar.

Los diseñadores pueden tener dudas sobre cómo implementar el taladrado inverso en sistemas de diseño asistido por computadora y qué datos deben transferirse al fabricante de PCB. Configurar taladros inversos en Altium Designer es muy sencillo.

El primer paso es ejecutar el Layer Stack Manager (LSM) y seleccionar Taladros Inversos en la esquina superior derecha de la sección de Características (Fig. 5). Con esta secuencia simple, el diseñador activa la funcionalidad para usar estos tipos de agujeros.

Accessing backdrills in the layer stack manager

Fig. 5. Taladros Inversos en el LSM

Se puede crear cualquier cantidad de agujeros de taladrado inverso en el Layer Stack Manager (Fig. 6).

Fig. 6. Agujeros con taladrado inverso en el LSM.

La configuración de taladrado se ajusta utilizando el panel de propiedades de taladrado inverso en el LSM (Fig. 7).

Fig. 7. Panel de propiedades de perforación posterior.

El diseñador especifica la Primera capa (el inicio de la perforación) y la Última capa (la capa en la que termina la perforación). Si se activa la casilla para Espejo, la perforación será simétrica, por ejemplo, en ambos lados (Fig. 8).

Fig. 8. Perforación en ambos lados.

Los diseñadores también deben definir qué redes deben ser perforadas posteriormente. Este proceso se implementa utilizando Reglas de Diseño. En la sección de Alta Velocidad, selecciona Longitud Máxima del Muñón de Vía (perforaciones posteriores) y crea una nueva regla (Fig. 9).

Fig. 9. La regla para perforaciones posteriores.

El diseñador define las condiciones de la operación de perforación posterior, asigna cuánto más grande debe ser el diámetro de perforación en relación con el orificio principal, la longitud máxima permitida del muñón de vía restante y el objeto al que se aplicará esta regla. El objeto puede contener redes, clases de redes y xSignals. Cuando se activa la condición especificada en las reglas, la perforación posterior se añade automáticamente.

Las perforaciones posteriores en modo 2D en la placa de circuito impreso se indicarán de la siguiente manera (Fig. 10):

Fig. 10. Perforación posterior mostrada en modo 2D.

Los taladros pasantes tienen doble color. Un color es el de la capa donde comienza la perforación; el otro es el color de la capa donde termina la perforación. Esta indicación asegura que el diseñador pueda navegar fácilmente hasta la ubicación del taladro pasante.

El taladro pasante también se muestra en modo 3D (Fig. 11):

Fig. 11. Taladros pasantes mostrados en modo 3D.

La información sobre el taladro pasante es necesaria para el fabricante de PCB. Esta información se muestra en la Tabla de Perforación tanto en el archivo PCB como en el Documento de Draftsman, así como en los archivos de salida Gerber y en los archivos de perforación NC (se genera un archivo separado para los taladros pasantes). Un fragmento de la tabla obtenida en el Editor de PCB se presenta como ejemplo (Fig. 12).

Fig. 12. Fragmento de tabla que incluye taladro pasante.

El ejemplo anterior contiene el diámetro del agujero, símbolo, primera y última capas y otra información relevante. El diseñador también puede ajustar la visualización de secciones, como en una tabla de perforación más típica.

La lista de documentos y archivos requeridos para el taladro pasante incluye elementos específicos:

Archivo NC Drill para retroperforado
Dibujo de PCB con orificios de retroperforado
Colocación de retroperforado en la estructura del PCB (primera capa y última capa)

En Altium Designer, configurar el retroperforado es fácil. El diseñador puede utilizarlo rápidamente con la ayuda de configuraciones simples, mejorando efectivamente la calidad de una señal de alta velocidad.