Restricciones de diseño que provienen del apilado de la PCB

El stackup de su PCB define mucho más que la cantidad de capas de cobre en la placa. Establece los límites físicos que controlan la geometría de las vías, el ancho de pista, el espaciado, la densidad de enrutamiento, la impedancia, el espesor del cobre y la secuencia de fabricación. Lo más importante es que simplemente agregar capas o vías ciegas/enterradas no le da una libertad de enrutamiento ilimitada; en cambio, modifica las restricciones del diseño y puede limitar su capacidad para enrutar, ensamblar y/o fabricar el diseño.

Afortunadamente, comprender estos factores puede ayudar a los diseñadores a tomar decisiones de stackup más inteligentes, en lugar de depender de un mayor número de capas y de pilas de vías avanzadas como muletas. El peor de los casos es completar un diseño y descubrir después que no puede fabricarse dadas las restricciones utilizadas para completar el layout. Los diseñadores pueden evitar estos problemas si entienden cómo el stackup de la PCB determina reglas de diseño específicas en el layout de PCB.

Cómo el stackup de su PCB determina las reglas de diseño

A medida que aumentan la cantidad de componentes y la densidad de interconexión, normalmente también aumenta el número de capas de la PCB. Esto suele hacerse para dar cabida a los BGA modernos y a los encapsulados de terminación inferior de paso fino, lo que hace que el número de capas y el espesor total del stackup crezcan en respuesta. Las interfaces de alta velocidad también pueden requerir espesores dieléctricos específicos para lograr impedancia controlada con anchos de pista fabricables.

Estos requisitos interactúan con el espesor total de la placa. Una placa con un alto número de capas construida con capas dieléctricas relativamente gruesas puede volverse rápidamente demasiado gruesa para el taladrado pasante estándar. Las capas dieléctricas muy delgadas pueden mejorar la densidad de enrutamiento, pero también pueden llevar el diseño hacia procesos de fabricación HDI. Por lo tanto, el stackup debe equilibrar la densidad de enrutamiento, los requisitos de impedancia, el espesor total y la capacidad de fabricación.

Las restricciones más comunes impulsadas por el stackup pueden resumirse de la siguiente manera:

Relación de aspecto de las vías pasantes

Las vías pasantes son uno de los puntos más fáciles donde puede crearse un diseño no fabricable. El valor determinante es la relación de aspecto entre el espesor de la placa y el diámetro final del agujero. A medida que la placa se vuelve más gruesa o la perforación más pequeña, resulta más difícil metalizar toda la profundidad de la vía. Sin embargo, por múltiples razones, el software de diseño de PCB no permite a los usuarios definir la relación de aspecto como una regla de diseño y, en su lugar, exige que el usuario defina tamaños mínimos permitidos de agujero para distintos tipos de vías.

Por ejemplo, colocar vías terminadas de 0,15 mm en una PCB de 2 mm de espesor crea una relación de aspecto muy agresiva que la mayoría de las casas de fabricación rechazarán. Incluso en un espesor nominal de placa de 62 mil (1,57 mm), ese tamaño de perforación puede estar fuera de la capacidad estándar de proceso de muchos fabricantes. Esto cobra especial relevancia cuando los BGA grandes o los layouts densos de QFN animan a los diseñadores a reducir el diámetro de la vía para crear más canales de enrutamiento:

• En un BGA grande que puede aceptar agujeros pasantes en el fanout routing, más pines equivalen a más capas en el stackup y, por lo tanto, a mayor espesor
• A medida que aumenta el espesor de la placa, los agujeros pasantes se acercan al límite de relación de aspecto, y aumentar su tamaño termina por alcanzar el límite de separación

La restricción correcta debe provenir del fabricante, no de una regla de diseño de PCB genérica. La mayoría de las casas de fabricación aceptarán un diámetro de perforación de 8 mil en una PCB de espesor estándar fabricada según estándares de mano de obra IPC Clase 2; para Clase 3, pueden reducir la relación de aspecto permitida. Una vez que se conoce la relación de aspecto máxima admitida, el diámetro mínimo de perforación permitido puede determinarse a partir del espesor de placa previsto.

El peso del cobre cambia las reglas de enrutamiento

El peso del cobre es otro parámetro del stackup que restringe la densidad de enrutamiento. A medida que el cobre final se hace más grueso, el ancho mínimo de pista fabricable y la separación cobre a cobre generalmente aumentan. En términos de reglas de diseño de PCB, esto significa que las capas internas y externas pueden requerir restricciones de enrutamiento diferentes. Un stackup común puede usar cobre de 0,5 oz en las capas internas y cobre final de 1 oz en las capas externas. En ese caso, las capas externas requerirían anchos mínimos y separaciones mucho mayores que las capas internas de enrutamiento.

También importa la distinción entre cobre base y cobre final. Las capas externas ganan cobre adicional durante la metalización de los agujeros pasantes, por lo que una capa que comienza como lámina de cobre de 1 oz puede terminar siendo mucho más gruesa. Por lo tanto, los diseñadores deben especificar los requisitos de cobre final en la documentación de fabricación y utilizar reglas de diseño que reflejen el peso final del cobre.

Ejemplo de mínimos de separación/tamaño de característica frente al peso del cobre (nota: para las capas internas se usaría una tabla diferente)

Fuentes de referencia: Bittele Electronics y PCBWay.

Una vez que el espesor del cobre alcanza 2 oz o más, la separación entre pistas, la tolerancia de grabado, el relleno de resina, la cobertura de máscara de soldadura y la soldabilidad se vuelven más restrictivos. Por eso, en muchos diseños de electrónica de potencia, o en diseños digitales que también requieren corrientes altas, agregar capas adicionales de enrutamiento o planos de 1 oz puede proporcionar mucha más libertad de diseño que forzar láminas de cobre pesado en un número reducido de capas. En términos de costo, ambos enfoques son básicamente equivalentes.

Vías ciegas y enterradas en sublaminaciones

Las vías ciegas y enterradas perforadas mecánicamente introducen restricciones que están directamente ligadas a la secuencia de fabricación y a las capacidades estándar del proceso de fabricación, en particular en lo relativo al taladrado. Existen reglas importantes sobre las vías ciegas/enterradas en sublaminaciones:

1. Regla de inicio y fin: un tramo de vía ciega/enterrada perforada mecánicamente no puede terminar en la misma capa donde comienza un tramo diferente de vía perforada mecánicamente. La excepción es si se utiliza laminación secuencial, o bien si se emplean vías ciegas perforadas por láser, lo que permitiría el apilamiento.
2. Vías sin cruce: los tramos de vías ciegas/enterradas perforadas mecánicamente no pueden cruzarse entre sí, aunque los tramos de vía sí pueden anidarse.
3. Unión con prepreg: al unir sublaminaciones, los subapilados solo pueden unirse entre sí con prepregs, no con núcleos.

Como enfoque básico de diseño, si su objetivo es un diámetro específico de vía enterrada (por ejemplo, para fanout de BGA), entonces la relación de aspecto de la perforación debe planificarse al crear el stackup. Cada tramo no relacionado de vía ciega/enterrada puede requerir sublaminaciones adicionales, operaciones de perforación y pasos de metalización, y cada uno de ellos agrega peso de cobre, aumenta los requisitos de separación/tamaño y reduce la relación de aspecto permitida.

El proceso de metalización también modifica el espesor del cobre al comienzo y al final de los tramos de vías enterradas perforadas mecánicamente. Esas capas de cobre expuestas reciben metalización adicional cuando se forman los barriles de las vías enterradas. El espesor final resultante del cobre puede afectar las separaciones de enrutamiento, los cálculos de impedancia y la compensación de grabado en esas capas.

Laminación secuencial y restricciones de HDI

La laminación secuencial introduce otro conjunto de límites cuando se utilizan microvías perforadas por láser. El diámetro permitido de perforación láser depende del espesor dieléctrico entre capas de cobre adyacentes y normalmente se requiere una relación de aspecto de <1, razón por la cual las capas de buildup de HDI suelen ser delgadas. Si el dieléctrico se vuelve demasiado grueso en relación con el diámetro perforado por láser, la vía excede la relación de aspecto de microvía admitida por el fabricante.

Cada ciclo secuencial de buildup también agrega pasos de fabricación. Las microvías apiladas pueden requerir vías rellenadas y planarizadas antes de que pueda colocarse otra microvía directamente encima, y los fabricantes pueden limitar la cantidad de niveles apilados que están dispuestos a admitir. Las microvías escalonadas pueden evitar algunos de estos requisitos de apilamiento, pero consumen más área de enrutamiento.

Muchos stackups prácticos de HDI combinan la laminación secuencial con un núcleo de vías enterradas perforadas mecánicamente. Esto le da al diseñador tanto microvías cerca de las capas externas como conexiones enterradas más largas a través del centro de la placa. A continuación se muestra una opción común que admite apilamiento de microvías hacia capas internas y BGA superpuestos en ambos lados de la PCB.

Defina las restricciones de fabricación antes del enrutamiento

El stackup de PCB más eficiente es aquel que soporta el enrutamiento requerido sin llevar la fabricación a pasos de proceso innecesarios. Antes de comenzar la colocación y el enrutamiento, utilice los pesos finales del cobre, la relación de aspecto permitida para perforación mecánica y cualquier apilamiento de microvías del fabricante seleccionado para definir algunas reglas básicas de diseño:

• Tamaño y separación de características de cobre
• Límites de tamaño de vías para varios tipos de vías
• Valores de ancho/separación de pista para líneas de impedancia controlada
• Defina las características de cobre tanto para capas internas como externas y en función del peso del cobre

Estas sencillas reglas de diseño de PCB evitan que el layout derive hacia algo que requiera rediseños extensos para volverse fabricable. Para comprender mejor las reglas de diseño y las limitaciones impuestas por las estructuras de vías enterradas en stackups más avanzados, vea el siguiente video.

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Preguntas frecuentes

¿Cómo afecta el grosor de la PCB a la relación de aspecto de una vía pasante metalizada?

El grosor de la PCB afecta directamente la relación de aspecto de una vía pasante metalizada. A medida que la placa se vuelve más gruesa, un diámetro de perforación determinado produce una relación de aspecto mayor, lo que dificulta más obtener un recubrimiento uniforme en la pared del barril. Los diseñadores deben determinar la relación de aspecto máxima admitida por el fabricante y usar el grosor previsto de la placa para establecer el diámetro mínimo permitido del orificio acabado.

¿Cuándo requiere un stackup de PCB laminación secuencial?

La laminación secuencial suele ser necesaria cuando el stackup utiliza microvías perforadas con láser que conectan múltiples capas de buildup o cuando las estructuras de vías no pueden producirse en un solo ciclo de laminación convencional. Cada ciclo de buildup añade pasos de fabricación, y las microvías apiladas pueden necesitar rellenarse y planarizarse antes de poder colocar otra microvía encima.

¿Las vías ciegas y enterradas pueden cruzarse o superponerse en un stackup de PCB?

Por lo general, los tramos de vías ciegas y enterradas perforadas mecánicamente no pueden cruzarse entre sí, aunque sí pueden anidarse. Además, un tramo de vía perforada mecánicamente tampoco puede terminar en la misma capa donde comienza otro tramo perforado mecánicamente, a menos que se utilice laminación secuencial. Las microvías perforadas con láser ofrecen flexibilidad adicional y pueden admitir estructuras apiladas cuando el proceso de fabricación lo permite.

¿Por qué las capas externas de la PCB requieren reglas de ancho de pista y espaciado diferentes a las capas internas?

Las capas externas de la PCB pueden requerir anchos de pista y separaciones mayores porque reciben cobre adicional durante el metalizado de los orificios pasantes. Como resultado, su espesor final de cobre puede ser mayor que el espesor inicial de la lámina y mayor que el cobre utilizado en las capas internas. Por lo tanto, las reglas de diseño de PCB deben reflejar el peso final del cobre de cada capa, en lugar de aplicar reglas idénticas en todo el stackup.

¿Cómo afecta el peso del cobre al ancho y al espaciado de las pistas de la PCB?

A medida que aumenta el peso final del cobre, generalmente también aumentan el ancho mínimo fabricable de las pistas y el espaciado cobre a cobre. Un cobre más pesado requiere mayor margen para el grabado y las tolerancias de fabricación, lo que reduce la densidad de ruteo disponible en esa capa. Por ejemplo, el artículo muestra que los tamaños mínimos estándar aumentan de 4 mil con cobre de 0,5 oz a 8 mil con cobre de 2 oz.