Cómo diseñar el perfecto apilamiento de capas de PCB con Altium Designer

En los últimos 20 años, la electrónica se ha hecho cada vez más compleja. La densidad de placa se ha llevado al límite. La normativa sobre compatibilidad electromagnética (EMC) e interferencias electromagnéticas (EMI) ha evolucionado y se ha vuelto más estricta. La alta velocidad y las tecnologías de ultimísima generación han cambiado las reglas de diseño. Por eso, los ingenieros de composición de PCB necesitan entender perfectamente los conceptos de EMC, EMI, PDN (red de suministro de energía) y SI (integridad de la señal) para poder enrutar una PCB moderna con plena confianza. En este artículo, trataremos algunos de los aspectos que hay que tener en cuenta para crear un apilamiento de PCB correctamente. 

¿Qué vamos a aprender?

En este artículo, aprenderemos a planificar un apilamiento de PCB y, a continuación, a implementarlo en Altium. Consideraremos algunas cuestiones para optimización del diseño a fin de minimizar los problemas de SI en un diseño digital de alta velocidad (HSD).

Aprenderemos lo siguiente

• Cómo interpretar la hoja de datos de materiales de laminado de PCB.

• Cómo calcular el número de capas de señales.

• Algunas sugerencias para diseñar el apilamiento de PCB con Altium.

• Errores y escollos comunes, y cómo evitarlos con Altium.

Interpretación de la hoja de datos sobre materiales de laminado de PCB

El primer paso que debe seguir un ingeniero de composición de PCB es seleccionar los materiales de laminado de PCB (resina, lámina de cobre, fibra de vidrio) para su aplicación. La selección del laminado depende del tipo de aplicación. 

Por ejemplo:

• HSD (circuitos digitales de alta velocidad): aplicaciones típicas son los servidores, routers, canales de datos de alta velocidad (por ejemplo, PCIe, 10Gbe, etc.). Requieren laminados de tipo FR408HR, I-speed, etc.

• Alta fiabilidad térmica: aplicaciones típicas son las de los sectores de la automoción, aeroespacial o defensa. Requieren laminados de tipo P95/P25 –de alta transición vítrea (Tg) y alta temperatura de descomposición (Td)–.

• RF y microondas. Requieren laminados de tipo IS680 TerraGreen (RF/MW) , etc.

• Sin halógenos: aplicaciones típicas son las del sector del transporte o los dispositivos móviles e inalámbricos. Requieren laminados de tipo TerraGreen.

• HDI (interconexión de alta densidad): aplicaciones típicas incluyen la reducción del número de capas, en los sectores de defensa y aeroespacial. Requieren laminados de tipo I-Speed, FR408HR, etc.

• Poliamida: aplicaciones típicas incluyen las del sector de defensa o aeroespacial. Requieren laminados de tipo P25N, P95/P25, etc.

Para seleccionar el material correcto, es necesario entender bien la hoja de datos de PCB.

Parámetros clave a los que prestar atención

CTE

El coeficiente de expansión térmica (CTE) expresado en PPM. Normalmente, es más alto en el eje z que en los ejes x e y. Este parámetro es crítico en el eje z. Cuando es demasiado alto durante el montaje, pueden presentarse microgrietas en las vías debido a las diferentes expansiones entre el laminado y el cobre.

En cambio, CTE-x,y es un parámetro al que hay que prestar atención al diseñar componentes electrónicos con muchos ciclos térmicos.  Por ejemplo, en la industria aeroespacial, CTE-x,y es un factor muy importante, dado que los satélites LEO (de órbita terrestre baja) tienen períodos orbitales de 90 a 120 minutos, lo que los expone a un gran número de ciclos térmicos que pueden provocar grietas en los lados del componente.

Tg, temperatura de transición vítrea

Tg es la temperatura a la que la resina preimpregnada cambia de estado rígido a razonablemente elástico (es decir, se funde).

Td, temperatura de descomposición

Como el nombre sugiere, es la temperatura a la que el material preimpregnado se descompone y empieza a perder sus propiedades.

Dk, constante dieléctrica

Este parámetro representa la constante dieléctrica media del núcleo y los materiales preimpregnados. Utilizo el término media porque atendemos a la estructura de la trama de fibra de vidrio:

^{Figura 1: ejemplo de patrón de fibra preimpregnado}

Preimpregnado de la figura 1: la resina llenará los huecos de la estructura de fibra de vidrio, creando una zona deléctrica Dk1 y otra con Dk2. A frecuencias muy altas, esto puede dar lugar a problemas (que no se tratan en este artículo). El punto clave es que, a la hora de diseñar circuitos HSD, es necesario seleccionar un preimpregnado lo más homogéneo posible, como I-Speed, FR408HR o Tachyon 100G.

Tan(δ ) o Df, tangente de pérdidas o factor de disipación

Una forma de onda electromagnética que recorre un material dieléctrico es absorbida parcialmente por el material. La absorción se mide por medio de un parámetro conocido normalmente como Dk en la hoja de datos. Se traduce en atenuación por pulgada, utilizando ec. 1:

Att=2,3 f tan⁡(δ) √(ϵ_r ) (dB/pulg.]) [ec. 1]

Donde f = frecuencia en GHz y  ϵ_r es la constante dieléctrica del material

Ejemplo: el sistema Isola FR408HR tiene ϵ_r   = 3,7 y tan(δ )= 0,011; por consiguiente, a 10 GHz tiene una atenuación de Att(10GHz) = -0,94 (dB/pulg.). Así, al utilizar FR408HR, habremos perdido -3 dB después de solo 3 pulgadas. 

Cómo calcular el número de capas de señales

Para diseñar el apilamiento de PCB, tenemos que estimar el número de capas necesarias.

Existen dos formas interesantes de hacer esto.

• En la primera [1], se asume que los componentes con mayor número de pines (por ejemplo, una matriz de malla de bolas [BGA]) dictan el peor de los casos. Con este método, el número de capas de señales se calcula tomando el número de filas (o columnas) de pines de E/S, dividiendo ese número por 2 y redondeando el resultado al número par mayor más próximo. Por ejemplo, si una BGA tiene 11 filas (o columnas) de E/S, una buena estimación del número mínimo de capas de E/S es 6.

• En la segunda forma, se utiliza la regla de Rent. [2] Rent era un ingeniero de IBM que popularizó su modo de estimar la distancia media entre trazas. Conforme a esta regla, si tienes M capas de enrutado y N interconexiones [2], la distancia media, en pulgadas, es igual a: P_avg=(XY)^(1/2)/N  2,7 M     [ec. 2]

Donde X e Y son las dimensiones X e Y de la placa, en pulgadas. Por consiguiente, se puede calcular el número de capas de enrutado estimando M y considerando, a continuación, si la distancia resultante es compatible con la tecnología de PCB.

Consideraciones acerca del plano de referencia

Tras calcular el número de capas de enrutado, debemos decidir el número de planos. 

• El plano 0V proporciona una ruta de retorno a las señales de alta velocidad (las trazas críticas se deben enrutar siempre dentro de 2 planos). Por tanto, debemos asegurarnos de que el plano 0V se extiende el máximo posible.

• Todos los planos tienen resonancia. Cada uno de los planos hace de antena y resuena en [3]

F_GHz=150 √((l/L)^2+(m/W)^2 )     [ec. 3]

Donde l y m son los modos, y W y L son las dimensiones en mm. Por ejemplo, si un plano tiene unas dimensiones de 100 mm x 50 mm, el primer modo debería resonar en torno a 1,34 GHz. ¿Por qué necesitamos esta información? Porque, durante las pruebas de EMC (emisión radiada), si encontramos un pico en torno a 1,34 GHz, que no es múltiplo (o intermodulación) de ninguno de los relojes, sabremos que el plano probablemente resuena. (Existen técnicas de diseño para aumentar la frecuencia de resonancia, pero están fuera del ámbito de este artículo). 

• Resonancia de la cavidad entre planos. Para prevenir la resonancia de la cavidad entre 2 planos del mismo potencial (por ejemplo, 0V), hay que colocar las vías de los planos a una distancia no superior a λ/(10 √(ε_r )) [3]. 

• Reducción de Q en el plano VDD-GND. Cada plano VDD-GND sirve a una regla importante: distribuye la capacitancia mientras resuena. Si tiene alta capacitancia, casi con toda probabilidad no superará las pruebas de emisión radiada. Una manera de evitar esto consiste en colocar 2 planos lo más cerca posible entre sí (para aumentar C y reducir Q).

Planificación del apilamiento de PCB con Altium

Ahora es el momento de planificar el apilamiento de PCB. Con los datos anteriores, ya tenemos lo siguiente:

1. Número de capas de señales

2. Número mínimo de planos

3. Señal crítica (reloj, DDR, USB)

4. Material de laminado de PCB

A raíz de los puntos 1 y 2, tenemos una idea bastante precisa del número de capas que necesita la aplicación.  Digamos que tenemos 6 capas para las señales y 6 capas para el plano. Podemos iniciar Altium para ahorrar tiempo. Abre tu proyecto de PCB y crea un documento PCB. A continuación, selecciona Layer Stack Manager. Desde allí, selecciona Tool->Presets y selecciona 12 Layers.

^{Planificación de apilamiento de capas de PCB}

Altium creará el apilamiento de PCB predeterminado, que será parecido al siguiente:

 ^{Apilamiento de capas de PCB predeterminado}

Ahora, necesitamos modificar el apilamiento anterior con el material de laminado seleccionado para la aplicación.

Si no nos interesan los materiales predeterminados, podemos cambiarlos e introducir los valores de material, espesor, Dk y Df correctos.

El apilamiento predeterminado que viene con Altium ya cuenta con una buena estructura simétrica y es un buen ejemplo de cómo debe diseñarse un apilamiento.

Una vez satisfechos con el material, debemos decidir qué capas utilizar para señal, señales críticas y plano de potencia.

Debemos planificar las señales críticas en primer lugar (por ejemplo, trazas de reloj, trazas de DDR, etc.).  Por ejemplo, si tenemos una placa con algunas trazas y unas impedancias características de 50 y 90 ohmios, podemos seleccionar qué capa enrutará esas trazas, y podemos hacer eso con Altium.

Haz clic en la pestaña Impedance (en la sección inferior):

^{Impedancia en el apilamiento de capas}

A continuación, haz clic en Add Impedance Profile: 

^{Añadir perfil de impedancia en el apilamiento de capas de PCB}

Debería aparecer el perfil de impedancia predeterminado para una traza de 50 ohmios:

^{Perfil de impedancia predeterminada en el apilamiento de capas de PCB}

Por ejemplo, conforme al perfil de impedancia anterior, el ancho de una traza de 50 ohmios es de unos 0,14 mm en las capas superior e inferior, mientras solo 0,038 mm en las capas intermedias. Si estás satisfecho con estos valores, podemos seguir adelante. De lo contrario, tenemos que cambiar el espesor del preimpregnado o del material de laminado.

Ahora, vamos a enrutar la traza de 90 ohmios (normalmente, para USB). Para ello, basta con hacer clic en el icono +, crear un nuevo perfil y, a continuación, cambiar la impedancia objetivo a 90 en la propiedad. 

^{Cambio de propiedades de impedancia en el apilamiento de capas de PCB}

Si una capa no puede tener una impedancia de 90 ohmios, Altium lo notificará añadiendo una advertencia al perfil de impedancia.

^{Advertencia al perfil de impedancia en el apilamiento de capas de PCB}

A continuación, puedes cambiar el material y repetir los pasos anteriores hasta obtener una solución que cumpla con todos tus requisitos.

En el siguiente artículo, examinaremos de qué manera nos puede ayudar Altium a superar algunos obstáculos en el diseño al enrutar señales críticas en una PCB de varias capas. 

Ahora, puedes descargar una versión de prueba gratuita de Altium Designer y aprender más acerca de las características de apilamiento e impedancia. Habla con un experto de Altium hoy mismo para más información.