Diseño de un apilado de PCB de cuatro capas sin capacitancia de plano

En una serie de artículos anteriores, he abordado los desafíos que se encuentran al diseñar tarjetas con 16 capas o más. Estos son los tipos de PCB complejas que se encuentran en servidores de alta gama, conmutadores y los productos de los titanes de la nube que soportan las crecientes necesidades de Internet.

Sin embargo, muchos productos no requieren este tipo de tarjetas complejas con un alto número de capas. Un ejemplo son las decenas de millones de placas base de PCB de cuatro capas fabricadas cada año para PC y otros productos relativamente económicos, como los productos Xbox™ de Microsoft. A primera vista, podría parecer que diseñar una PCB de 4 capas debería ser una tarea fácil, pero al igual que cualquier otra tarjeta, requiere el tipo correcto de diseño y apilamiento. Además, hay desafíos particulares cuando se trata de diseñar un apilado de PCB de cuatro capas con o sin capacitancia de plano. Dado que una alta capacitancia de plano no está disponible en una PCB de cuatro capas sin planos de alimentación y tierra adyacentes, se deben utilizar otros enfoques. Este artículo describe cómo se diseña mejor un apilado de PCB de cuatro capas junto con cómo se maneja la falta de capacitancia de plano.

Los ABC de un Apilado de PCB de Cuatro Capas

Placas de Dos Capas

Antes de que existieran las PCB de cuatro capas, había tarjetas lógicas de dos capas, como se muestra en Figura 1. Estas tarjetas satisfacían bastante bien las necesidades electrónicas y se usaban ampliamente antes de que las cosas fueran lo suficientemente rápidas como para requerir las conexiones de baja inductancia logradas con planos.

PCB de Cuatro Capas

Las PCB de cuatro capas han sido el caballo de batalla de los ordenadores y juegos durante 40 años. Desde el primer día, las placas base de PC han sido de cuatro capas. Y la necesidad de placas de cuatro capas solo continuará expandiéndose a medida que se desarrollen más productos orientados al consumidor.

Los aspectos técnicos que impulsan un diseño de PCB de cuatro capas son:

• Dos planos buenos que distribuyen energía que son continuos (generalmente debajo de las capas superficiales).
• Capas de trazas que están cerca de esos planos para que el diafonía y la impedancia puedan ser controladas.

Los factores económicos y empresariales clave en la creación de una PCB de cuatro capas es fabricarla en enormes cantidades (factores de millones) al costo más bajo posible. Estos volúmenes son necesarios porque se tienen que gastar enormes cantidades de dinero en crear las herramientas que serán necesarias para construir las tarjetas. Los beneficios clave de las tarjetas de cuatro capas incluyen:

• Las placas de cuatro capas se prestan fácilmente a técnicas de laminación en masa que utilizan paneles de 36” x 48”.
• La imagen para las capas internas, que son simplemente planos, se realiza con placas de exposición de vidrio en lugar de película. Esto hace que la herramienta sea más duradera y más mecánicamente estable.
• Después de que las capas internas se imprimen y graban, prepreg y lámina se colocan fuera del laminado.
• Alrededor del exterior de cada placa en el panel de 36” x 48”, hay pequeños fiduciales. El cobre en la parte superior de las placas se desbasta para que los fiduciales sean visibles, y el taladro puede alinearse con el patrón que está dentro de las placas. Como resultado, no hay que preocuparse por errores de desviación a través de los paneles muy grandes.

La Perspectiva de Diseño

Desde la perspectiva de diseño, la estructura de PCB de cuatro capas mostrada en la Figura 2 es bastante sencilla. Los elementos a tener en cuenta incluyen:

• Las dos capas exteriores son capas de señal.
• Las dos capas intermedias son Vdd y tierra.
• La distancia entre cada capa de señal y el plano debajo de ella se establece en 4 o 5 mils para controlar la impedancia y el diafonía.
  • Esta distancia obliga a que las dos capas del plano estén muy separadas, 40 mils o más.
  • La capacitancia del plano con un espaciado de 40 mils es minúscula en comparación con lo que sería si los planos estuvieran adyacentes (factor 10 menor).
    • La capacitancia de alta calidad necesaria está en el die y en el paquete (más sobre esto más adelante).

Otros factores sobre las placas de cuatro capas a tener en cuenta incluyen:

• Un grosor de más de 40 mils es más que suficiente para hacer una placa rígida.
• Con una placa de cuatro capas, las reglas de enrutamiento para señales de alta velocidad son más estrictas porque no puedes cambiar de capas sin riesgo de crear una discontinuidad de impedancia.
  • Debe haber un esfuerzo de equipo entre las personas que asignan los pines del CI, las personas que asignan los pines del paquete y las personas que diseñan la placa. Esto debe ser negociado entre estos tres grupos.
  • Todas las señales de alta velocidad tendrían que comenzar y terminar en la misma capa. La Figura 3 es una foto de una sección de una placa de cuatro capas con todas las señales corriendo en la capa superficial superior.

• Los vías en una PCB de cuatro capas son vías pasantes rectas. Estas vías están tapadas para que ningún contaminante pueda pasar de un lado de la placa al otro. Este tipo de contaminación puede causar fugas de pin a pin bajo un BGA que no se pueden limpiar y resulta en que se tenga que desechar toda la asamblea.
  • Vías ciegas en una placa de cuatro capas son innecesarias porque solo estarían haciendo la conexión desde las vías hasta el primer plano de potencia.
  • Las vías ciegas hacen que el costo de la placa aumente.

¿Qué pasa con la falta de capacitancia de plano?

Como se puede ver en la Figura 4, y como se mencionó anteriormente, la capacitancia entre planos en una placa madre de PC con un espaciado de 40 mils es mínima (alrededor de 5 pF por pulgada cuadrada de capacitancia de plano). Pero se requiere una fuente de capacitancia de alta calidad (baja inductancia) para proporcionar corriente para cargar las líneas de datos y direcciones.

Esta capacitancia se proporciona integrando grandes cantidades de capacitancia en el propio dado del IC o en el paquete del componente. Esta misma capacitancia de baja inductancia es el camino por el cual las corrientes de retorno encuentran su camino de un plano a otro cuando una señal cambia de capas. Cuando esto está ausente, las señales necesitan ser enrutadas de punto a punto mientras permanecen en la misma capa de señal.

Ejemplos de la capacitancia en el dado de componentes y módulos de memoria incluyen:

• Un dado DDR2 tiene más de 100 pF por pin de E/S integrado para suministrar la carga a las líneas que se están impulsando.
• Un IC de Power PC tiene más de 200 pF por pin de E/S integrado para suministrar carga al impulsar líneas de extremo único.
• Un IC de Power PC tiene del orden de 50 nF integrado para suministrar la carga al núcleo cuando cambia de modo de reposo a todo activo.
• El procesador IC personalizado diseñado para la próxima generación de supercomputadoras Blue Gene, que tiene un bus de memoria de 512 bits de ancho, tiene 190 nF de capacitancia en el dado para soportar el transitorio.

¿Qué pasa con las PCBs de cuatro capas con buses anchos?

Inicialmente, el caso de la capacitancia de plano era necesario para soportar transitorios de conmutación de gran amplitud y unidireccionales, como los involucrados en subsistemas de memoria. Sin embargo, con los buses anchos de hoy en día, se deben tener en cuenta los siguientes factores.

• Como se mencionó anteriormente, en una placa de cuatro capas con una disposición de capas señal/tierra/energía/señal, hay muy baja capacitancia de plano.
• El único "camino de retorno" para las señales que cambian de capas son los capacitores discretos que funcionan mal a las frecuencias involucradas en buses de datos rápidos.
  • Como resultado, las señales deben permanecer en la misma capa de señal durante toda la longitud del camino.
• Los circuitos integrados que no tienen capacitancia en el chip para soportar transiciones rápidas de conmutación tendrán un rendimiento deficiente en PCBs de cuatro capas, resultando en sistemas que experimentan operaciones "inestables" y alta EMI.
• Como resultado de lo anterior, se requiere una combinación de capacitancia en el chip y en el paquete, y se aplican los siguientes puntos:
• Con geometrías de IC de 130 nanómetros y menores, la corriente dentro del IC o núcleo a menudo puede alcanzar decenas de Amperios en tan solo 15 ps.
  • Las transitorios de corriente de esta magnitud y velocidad no pueden ser soportados por la capacitancia en la PCB debido a la inductancia de las bolas del paquete y las vías.
• Combinar capacitores de ultra-baja inductancia montados en un paquete BGA bien diseñado con capacitancia en el propio chip resuelve este problema.

Resumen:

Las PCBs de cuatro capas son un pilar en las industrias de productos informáticos y consolas de juegos. El diseño exitoso de un apilado, disposición y enrutamiento de PCB de cuatro capas se basa en reglas de diseño válidas, y existen maneras de proporcionar capacitancia cuando las capas internas del plano no ofrecen suficiente capacitancia interplano. Esta capacitancia se proporciona en el propio chip en los CI o mediante una combinación de configuraciones en el chip y en el paquete.

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Referencias:

1. Ritchey, Lee W., y Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design,” Volumen 2.
2. Ritchey, Lee W., Diapositivas del Curso, “Curso de 2 Días sobre Integridad de Señal y Diseño de Sistemas de Alta Velocidad,” clase de entrenamiento.