Cómo diseñar un apilado híbrido de PCB

El módulo de evaluación de radar de Texas Instruments mostrado arriba es un ejemplo de un diseño que contiene una sección de mmWave completa con enrutamiento RF y transmisión de alta potencia, así como una sección digital de velocidad moderada con múltiples ICs. No estoy afiliado con TI, pero la principal razón por la que me gusta esta placa como herramienta educativa es que muestra una manera de usar laminados basados en PTFE como Rogers o Taconic para construir un producto comercial de RF. A veces, cuando hablamos de usar laminados de PTFE o alternativas como laminados de tela de vidrio de bajo Dk, no estamos hablando de construir todo el apilado con un material de PTFE costoso con capas de unión.

En algunos casos, tiene sentido construir una placa enteramente de laminados de PTFE o un laminado de bajo Dk. He hecho esto con backplanes de alta velocidad que soportan docenas de interconexiones largas en múltiples capas con límites de ancho de banda en ~80 GHz. Cuando necesitas enrutar canales seriales multi-gig entre dos conectores a través de 15 pulgadas de espacio en la placa, necesitas reducir las pérdidas tanto como sea posible para asegurar que las señales en el receptor puedan recuperarse. Sin embargo, en otros casos realmente solo necesitas un laminado de baja pérdida en una capa. Esta es la esencia de un apilado de PCB híbrido, y puede ser una mejor elección para tu placa.

Cuándo usar un apilado híbrido de PCB

La primera pregunta que debería surgir al seleccionar materiales y planificar un apilado es: ¿qué materiales se necesitan y cuántas capas se deben usar? Suponiendo que has determinado que necesitas un laminado de baja pérdida y has determinado el número de capas requerido, es momento de considerar si deberías usar un apilado híbrido. Hay algunas situaciones generales en las que podrías considerar usar un apilado híbrido con laminados de baja pérdida en tu PCB:

• Ahorro de costos: Optar por PTFE completo o materiales de baja constante dieléctrica (Dk) puede resultar costoso. Para prototipos, la diferencia de costos no es enorme, pero estas diferencias se acumulan en volúmenes altos.
• Conteo bajo de interconexiones RF: Si puedes acomodar todas las señales de alta velocidad/RF en una sola capa, no tiene sentido construir todo el apilado con laminados especializados de baja pérdida. Podrías considerar aumentar el tamaño de la placa para reducir el número de vías y acomodar todo en la capa de baja pérdida.
• Diseños de onda milimétrica: Algunos sistemas RF que operan en la banda ISM o WiFi de 6-7 GHz funcionarán perfectamente en laminados de grado FR4 siempre y cuando las interconexiones sean cortas. Una vez que llegas a frecuencias de radar de automóviles o más altas, generalmente necesitarás laminados de baja pérdida a menos que tus interconexiones sean muy cortas como para ser imprácticas.

La imagen a continuación muestra un apilado híbrido de 6 capas que presenté en una publicación anterior. Este apilado es un buen ejemplo para módulos de radar u otras aplicaciones especializadas de señales de onda milimétrica como la imagenología.

El apilamiento mencionado anteriormente también es adecuado para sistemas digitales con anchos de banda que se extienden bien dentro del régimen de ondas milimétricas, aunque hay que tener cuidado con la dispersión en la capa de laminado de baja pérdida. Los fabricantes de materiales RF intentan construir sus sistemas de laminado con dispersión plana hasta frecuencias GHz altas. Sin embargo, por encima de algún límite de alta frecuencia, la dispersión ocurrirá de nuevo para crear más pérdidas y distorsión de fase en señales digitales. Si estás operando a frecuencias extremadamente altas por encima del límite sin dispersión, asegúrate de contactar al proveedor del laminado para obtener datos de la constante dieléctrica para que puedas realizar cálculos de impedancia y parámetros S precisos.

Además, algunos fabricantes podrían decirte que este apilamiento no se puede fabricar porque has colocado PWR y SIG adyacentes en las dos capas internas. Si la placa es pequeña, no importará; esta placa no experimentará ningún arqueamiento hasta que su envergadura alcance tamaños de backplane multi-U. También puedes equilibrar la capa interna con vertido de cobre si es necesario.

Habla con tu fabricante temprano

Si has armado un apilado híbrido basado en tus requisitos de pérdida, el grosor de la placa de circuito y el número de capas, deberías enviar tu apilado a tu fabricante antes de comenzar tu diseño. Esto es bastante importante ya que tu fabricante puede determinar si la placa pasará por el ciclo de laminación sin descomponerse o sufrir delaminación, ya que algunos materiales necesitan temperaturas y presiones más altas que otros. No temas contactar a un fabricante tempranamente para pedir su consejo sobre el uso de tu laminado de baja pérdida deseado en un apilado híbrido. Asegúrate de darles:

• El número de capas requerido
• Los grosores de capa deseados
• Material de laminado de baja pérdida
• Materiales de laminado de relleno

Intenta decidir cuáles requisitos son imprescindibles frente a los que serían deseables, ya que podrías necesitar comprometer algunos de tus requisitos.

Permite espacio para el Bondply

Su fabricante puede proporcionarle información sobre la variación de espesor que puede esperar ver en la placa terminada una vez que se añade el bondply. Asegúrese de considerar esto al planificar el apilado. Generalmente, no necesita preocuparse por la constante dieléctrica de la capa de bondply a menos que necesite enrutar sobre ella. Si ha diseñado con un laminado de baja pérdida en la capa superior, el bondply puede necesitar situarse entre L2 y L3 para que el material de baja pérdida se adhiera a los laminados de grado FR4. Su fabricante puede darle más información sobre este punto.

Envíe un Apilado Preliminar

Incluso después de crear un apilado preliminar, deberías enviarlo a tu fabricante para que lo inspeccione antes de la fabricación. A veces, no eres libre de elegir cualquier sistema de materiales y laminado de baja pérdida que quieras usar en un apilado híbrido. Tu fabricante tendrá voz en cuáles materiales están disponibles, tienen bajo tiempo de entrega, o si tendrán que subcontratar la fabricación. Si puedes hacer que revisen tu apilado antes de crear el resto de tu diseño, tu fabricante podría recomendar un sistema de materiales alternativo que sea compatible con el requerido proceso de laminación de PCB. También podrían recomendar algunos grosores de laminado alternativos que pueden ayudarte a alcanzar tus requisitos de grosor total de la placa de circuito.

Lectura de Hojas de Datos de Materiales

Si estás seleccionando materiales para un apilado híbrido y quieres tomar un papel más activo en la construcción de un apilado híbrido, echa un vistazo a las hojas de datos de los materiales antes de crear un apilado propuesto. Intenta igualar los valores de CTE, valores de Tg, y la temperatura de flujo de la resina, y temperatura de curado para asegurar total compatibilidad. Aún deberías enviar el apilado para su revisión para asegurar la fabricabilidad.

Cuando necesitas crear un apilado híbrido de PCB, las herramientas de diseño de PCB en Altium Designer® incluyen todo lo que necesitas para especificar la construcción de tu apilado, calcular la impedancia e importar la información del apilado en los dibujos de fabricación. La utilidad Draftsman te ayuda a crear rápidamente dibujos de fabricación y ensamblaje con tu apilado híbrido de PCB y exportarlos en formato PDF. Cuando hayas terminado tu diseño y quieras enviar los archivos a tu fabricante, la plataforma Altium 365™ facilita la colaboración y el compartir tus proyectos.

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