Consideraciones sobre el stackup de capas en el diseño de placas de PCB de alta velocidad

Los diseños de alta velocidad solo funcionarán correctamente si se construyen con el apilamiento o stackup de PCB adecuado. El stackup debe tener la disposición correcta de los planos de potencia y tierra, con suficientes capas asignadas a la señal y todo ello con una selección de materiales y cobre fabricables a la escala y a los costes adecuados. Si un diseñador diseña el stackup o apilado de capas correctamente, el enrutamiento con integridad de señal garantizada será mucho más fácil y se suprimirán o evitarán muchos de los problemas de EMI más sencillos.

Para ayudar a los diseñadores a crear y preparar más rápidamente los stackups de alta velocidad que admitan el enrutamiento y la integridad de la señal requeridos, hemos reunido una serie de recursos importantes para diferentes clases de stackups de alta velocidad. 

Stackups de bajo número de capas

Las PCB de alta velocidad más simples empiezan su trayecto como placas de cuatro capas. Mi firme opinión es que las placas de dos capas no deben utilizarse para diseños que admitan interfaces digitales de alta velocidad de impedancia controlada, ya que no pueden garantizar la integridad de la señal ni el control del ruido. Cualquier profesional del diseño te confirmará este aspecto.

A continuación, se muestran los tres tipos principales de stackup de PCB de cuatro capas que pueden admitir señales de alta velocidad. Entre estos stackups, la opción 1 es probablemente la mejor opción, ya que proporciona la mayor flexibilidad en el enrutamiento y se puede utilizar como placa de doble cara. La opción 2 también se puede utilizar para la colocación a doble cara, pero limita dónde se pueden enrutar las señales, ya que puede haber diafonía en la capa interna. La opción 3 es buena si tienes requisitos de alta potencia, pero solo podrás enrutar señales de alta velocidad en una capa, los elementos pasivos o mecánicos aún podrían colocarse en la capa posterior.

• Más información sobre las mejores opciones de stackup de cuatro capas para las PCB de doble cara

Cuando se requieren recuentos de señales más altos, como colocar señales de menor velocidad en una capa interna, el siguiente paso es extender la opción 1 a números de capas más altos. Empezaríamos con un stackup de seis capas al que añadiríamos una capa de potencia dedicada y una capa de señal al stackup mostrado en la opción 1 anterior. Este apilado de capas es útil por dos razones:

• Las capas superficiales son adecuadas para interfaces de impedancia controlada de alta velocidad.
• Las capas internas pueden admitir la mayoría de interfaces o señales de control más lentas.
• La capa de alimentación se puede dividir en varios rieles grandes para soportar diferentes niveles de tensión en el núcleo.

El mismo procedimiento se puede utilizar para extender el stackup a ocho o más capas con señales de alta velocidad. Analizaremos este tipo de acumulación de PCB en la siguiente sección.

• Más información sobre los stackups de PCB de seis capas que pueden admitir placas de alta velocidad

Número moderado de capas

En algún momento, el apilado de la placa puede volverse tan grueso que el espesor total de la PCB será mayor que el valor estándar. En términos de fabricación, esto no es un problema; los procesos de prensa de laminación estándar pueden manejar placas más allá del espesor estándar y alcanzar varios milímetros de grosor. Si tu idea es obtener una placa delgada, necesitarás capas más finas. Las opciones son los laminados de PTFE reforzados (hablaremos de ellos a continuación) o pasar directamente al procesamiento HDI.

Las placas con un número moderado de capas (por encima de las ocho capas) tienden a tener varias capas de planos asignadas a la potencia, así como capas de señal adicionales. Para las placas con un número moderado de capas, existen algunas pautas sencillas que pueden ayudar a suprimir la EMI y a garantizar la integridad de la alimentación:

• No hay problema en dividir un plano de potencia en varios rieles siempre que las señales no estén referenciadas a esa capa del plano.
• Si hay varios planos de alimentación, no los apiles en capas adyacentes, sepáralos con un plano GND.
• Coloca las señales rápidas en capas internas entre dos planos GND y no las referencies a planos de alimentación con ningún tipo de división.
• Utiliza las capas superficiales únicamente para microstrips rápidos y algo de enrutamiento de energía y de vertido GND, si fueran necesario.

Estas directrices pueden provocar que añadas un par de capas adicionales a tu diseño, pero las ventajas serán un control mucho mayor del ruido, la integridad de la potencia y la integridad de la señal.

Stackups de capas más avanzados

El concepto de "más avanzado" en el contexto del diseño de PCB de alta velocidad podría significar varias cosas. En diseños digitales de alta velocidad, podría tener dos posibles significados en lo que se refiere a la selección y disposición de las capas:

• Capas finas para admitir enrutamiento HDI.
• Una cantidad elevada de capas que obligan a usar capas finas.
• Enrutamiento a BGA de paso fino en varias capas (pero no necesariamente con HDI).

En otras palabras, podrías tener capas de señal muy finas (por ejemplo, de 4 mils) con FR4 reforzado con fibra de vidrio con un número de capas bajo, o podrías tener una cantidad elevada de capas que te obliguen a utilizar capas delgadas y, posiblemente, materiales alternativos.

Las consideraciones en el diseño del apilamiento de capas de alta velocidad para estas PCB se centran en los anchos de línea necesarios para los componentes y la posibilidad de fabricación, no simplemente en los valores Dk y Df del stackup. En algunos casos, se necesita un laminado con Dk y Df bajos en las capas de señal, pero no solo porque las pérdidas sean menores. En estos diseños, la posibilidad de fabricación y la integridad de la señal reinan por encima de todo, y los laminados finos pueden ser la respuesta a muchos de los desafíos que plantean los stackups de alta velocidad con un elevado número de capas y/o con capas de señal finas. La principal opción actual para placas más finas, capaz de eliminar la necesidad de pasar al procesamiento más avanzado o al procesamiento HDI, son los laminados de PTFE reforzado, que están disponibles en espesores inferiores a los 4 mils.

• Más información sobre el diseño del stackup para PCB avanzadas de alta velocidad

Otros recursos

Las otras áreas del diseño de stackup o apilado de capas que son importantes para las PCB de alta velocidad son la integridad de la potencia y la integridad de la señal. También existe la posibilidad de cambiar a diseños HDI cuando los paquetes BGA tengan un paso muy fino y cuando las capas se vuelvan muy delgadas. Echa un vistazo a estos recursos para obtener más información sobre estos aspectos tan importantes del diseño de PCB:

• 11 materiales HDI que debes conocer
• Diseño de stackup de PCB 2+N+2 para placas HDI
• Libro electrónico: Guía de simulación y análisis de PDN
• El impacto del diseño del stackup en la integridad de la señal

Cuando necesites especificar materiales, construir un apilamiento de capas (stackup) y realizar cálculos de impedancia para crear placas de alta velocidad, utiliza el conjunto integral de herramientas de diseño de PCB en Altium Designer^®. Cuando hayas terminado el diseño y desees enviar los archivos al fabricante, la plataforma Altium 365^™ te facilitará la colaboración y el uso compartido de los proyectos.

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