Fundamentos de Apilado de PCB

En comparación con la construcción de un PCB, el apilamiento se preocupa más por el tipo eléctrico de cada capa. Los grosores de los materiales o qué dieléctricos se utilizan es menos importante que a qué se dedican las capas, como las capas de señal (SIG), tierra (GND) o alimentación (PWR).

Las capas de señal contienen predominantemente trazas que llevan señales (a veces con alimentación enrutada o vertidos de cobre), mientras que las capas de alimentación y tierra son típicamente vertidos de cobre sólido completos sobre toda la capa. Las capas de tierra se utilizan como referencia de las capas de señal y sus caminos de retorno, y una capa de alimentación es ya sea un plano de alimentación sólido y continuo de cierto voltaje o varias islas o vertidos de cobre de diferentes niveles de voltaje.

Antes de rutear un PCB, queremos determinar nuestro apilamiento, que depende del número de capas que tenemos disponibles. Luego, queremos revisar las capas una por una, asignando tierra, alimentación o señales a capas individuales.

Por supuesto, también son posibles las combinaciones: podemos mezclar alimentación y tierra, señal y tierra o señal y alimentación.

Capa de Tierra

Uno de los tipos de capa más importantes es la capa de tierra. Este tipo de capa se utiliza predominantemente como un plano o capa de referencia para las trayectorias de retorno de señales (y potencia). Para cada trayectoria hacia adelante, necesitamos una trayectoria de retorno para completar el bucle. 

Capa de Potencia

Una capa de potencia se utiliza para la distribución de energía. Ten en cuenta que para sistemas de baja velocidad y bajo ancho de banda no es totalmente crítico, y puedes encaminar tu potencia con trazas en capas de señal. Sin embargo, los planos y capas de potencia se vuelven cada vez más importantes en términos de entrega de energía para circuitos de alta velocidad. Además, si se acoplan con una capa de tierra en un plano adyacente y estrechamente espaciado, forman un tipo de capacitor de placas paralelas.

Capa de Señal

Por último, tenemos nuestra capa de señal donde encaminaremos nuestras trazas, formando efectivamente nuestra trayectoria de señal hacia adelante. Como se ha visto antes, podemos usar una capa de tierra o en ciertos casos incluso una capa de potencia como referencia para nuestra trayectoria de retorno.

Trayectorias de Retorno y Referencias

Ahora la pregunta es, ¿cómo asignamos los tipos de capa en un PCB de manera sensata? Tenemos ciertos objetivos para el rendimiento de EMI, la integridad de señal y potencia, y queremos un enfoque sistemático para decidir el apilado. No queremos simplemente asignar diferentes tipos de capa de manera arbitraria.

Hay un par de reglas de oro. En primer lugar, para señales de CA en la región de un par de kHz, la ruta de retorno no es el camino más corto sino más bien el camino directamente debajo de la traza (camino hacia adelante). Esta es la parte con la menor impedancia. Por ejemplo, para una traza en una capa de señal superior y un plano de tierra directamente debajo en la capa dos, el camino hacia adelante está en la capa de señal, y la ruta de retorno está directamente debajo de esa traza en el plano de tierra debajo.

Otra cosa a considerar es que la energía de la señal fluye en el espacio dieléctrico entre el cobre (traza y plano). El cobre, por lo tanto, es simplemente un guía de ondas. Para una buena integridad de señal y rendimiento de EMI, necesitamos tener en cuenta tanto el camino hacia adelante como el de retorno, dónde está fluyendo la energía de la señal, y cómo está confinada entre los caminos hacia adelante y de retorno.

En esencia, se desea una estrecha unión entre los planos de señal y tierra y entre los planos de potencia y tierra para evitar que los campos se dispersen. Nuestro objetivo principal es evitar la dispersión de los campos, ya que la dispersión de campos conduce a la acoplamiento de señales a señal, lo que lleva a diafonía. Los campos que se dispersan también significan alguna forma de radiación, lo que conduce a problemas de EMI.

Asignación de Capas y Pares de Capas

¿Cómo evitamos que los campos se dispersen y cómo contenemos estos campos?

Lo principal que nosotros, como ingenieros de diseño de PCB, debemos tener en cuenta, es que cada camino de señal o potencia hacia adelante necesita una referencia estrechamente acoplada. Además, para señales de alta velocidad o de mayor energía, tiene sentido utilizar también stripline en lugar de trazas de microstrip. Stripline significa que tenemos una traza de señal intercalada entre dos planos de tierra, proporcionando un buen acoplamiento de campo de la señal a ambos planos de tierra a cada lado.

Como se mencionó anteriormente, otro punto a considerar son los planos de potencia y tierra adyacentes. Esto es para mejorar la entrega de potencia a altas frecuencias donde los capacitores SMD (incluso los de paquetes pequeños) comienzan a parecer inductivos. 

En esencia, al diseñar un apilado, sigue la regla simple de tener un mínimo de una capa de referencia a tierra estrechamente adyacente a cualquier capa de señal o de potencia, y deberías estar bastante seguro para comenzar.

Apilados Multicapa Recomendados

Finalmente, aquí están algunos de mis apilados multicapa favoritos que siguen las pautas que previamente delineamos.

Cuatro capas (potencia enrutada): SIG – GND – GND – SIG

Seis capas: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG

Ocho capas: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG – GND – SIG

Video de Rick Hartley

Por último, no puedo recomendar lo suficiente un video de Rick Hartley sobre cómo lograr un adecuado aterrizaje y elegir correctamente tus apilados de capas. En el video, Rick habla sobre muchos de los principios delineados en este artículo con mucho más detalle. Revisa el video en el canal de YouTube de Altium.