Los peligros del stack up de 4 capas

Tradicionalmente, muchos ingenieros de PCB nos decantamos por una estructura de tarjeta de 4 capas para nuestros diseños. Suele ser una solución excelente en términos de aprovechamiento del espacio y rendimiento electrónico. Sin embargo, veremos que en la mayor parte de los casos, se hace un uso erróneo de la misma.

4 capas frente a 2

Cabe preguntarse en primera instancia por qué el stack up de 4 capas es preferible en ciertos casos al de 2. En primer lugar, diremos lo obvio: 4 capas son más caras que 2, puesto que se requiere más material y el número de procesos es mayor (para 4 capas se necesita laminar). Aun así, las ventajas superan a los inconvenientes ampliamente:

• A igualdad de tamaño con una versión equivalente en 2 capas, el diseñador dispondrá de mucho más espacio físico para realizar el enrutado. Dicho de otra manera: usando 4 capas seremos capaces de reducir el tamaño final de nuestra tarjeta (que vendrá limitado principalmente por el tamaño de los componentes y por las restricciones mecánicas), haciendo que la posible diferencia de precio en la fabricación se atenúe.
• La distribución de potencia en la tarjeta será mucho más eficiente en 4 capas. Es una consecuencia derivada del punto anterior: más espacio para enrutar implica que podemos usar planos, polígonos o pistas más anchas para llevar cada rail de potencia de la fuente a los destinos.
• Mucho mejor rendimiento eléctrico, tanto en calidad de señal como en acoplamiento electromagnético. Esto se explica teniendo en cuenta que, en 4 capas, al menos una de ellas será enteramente un plano de tierra. No solo eso, sino que además la distancia entre esta capa de tierra y las señales será menos que en una construcción de 2 capas, aumentando así el acoplamiento capacitivo (efecto deseado) entre la señal y su retorno. De igual modo, el uso de planos de tierra sirve como blindaje respecto a emisiones electromagnéticas. Para lograr estos efectos eléctricos positivos hay que diseñar el layout en base a ciertos principios físicos que veremos.

Lo que normalmente se hace

La construcción en 4 capas más típica elegida por la mayoría de los diseñadores es la siguiente:

El espesor de los dieléctricos y del cobre puede variar, así como la elección de prepregs y cores, pero lo que suele ser siempre igual es la distribución de las capas: reservamos Top y Bottom para colocar los componentes y enrutar las señales, dejando una de las capas internas para tierra y otra para la distribución de las señales de potencia.

Desde el punto de vista puramente “geométrico”, resulta ser una solución buena, puesto que nos permite una sencilla ubicación de componentes y enrutado de señales.

Si nos referimos, sin embargo, a la integridad de la señal o a la compatibilidad electromagnética, resulta ser una solución muy mejorable. El plano de tierra será buena referencia para todas las señales enrutadas en la capa Top, pero no para aquellas que discurran en la capa Bottom. Para estas últimas, el camino de retorno estará más lejos de lo deseado y, lo que es peor, tendrá en medio otra capa con planos de cobre discontinuos. Estaremos creando discontinuidades en la impedancia de las líneas y antenas indeseadas.

A pesar de lo popular de esta construcción, es una mala decisión de ingeniería. Difícilmente podrá recibir un producto así una certificación (como el marcado CE) que le permita acceder al mercado.

La única manera de usar este stack up atendiendo a criterios de ingeniería sería enrutando todas las señales exclusivamente en la capa Top. Estaríamos de algún modo desaprovechando la capa Bottom prácticamente por entero. Veremos que hay soluciones más inteligentes.

Lo que debería hacerse

Lo que tratamos de lograr es que toda señal tenga un plano de tierra (camino de retorno) en una capa inmediatamente contigua. Esto garantiza una impedancia controlada (caso de que sea necesario) y evita emisiones no deseadas al aire.

Para tal fin, propongo dos alternativas para una mejor integridad de la señal:

En este caso, tendremos dos capas dedicadas a plano de tierra en el interior de la construcción. Todas las señales, incluidas las de suministro de potencia, se enrutan en Top y Bottom. Esto supondrá algo más de esfuerzo para completar el layout, pero los beneficios compensan claramente.

Respecto a la distribución de potencia, recordemos que una pista de 0.15mm de anchura puede transportar 1A de corriente continua sin prácticamente incremento en la temperatura de la misma, además de ofrecer una baja resistencia. Una pista de 0.5mm incrementa la capacidad de carga a 3A en corriente continua, reduciendo aún más la resistencia. Para la mayoría de las aplicaciones digitales, estas capacidades son más que suficientes, haciendo el uso de planos innecesario para la distribución de potencia. Resulta así más fácil integrar en una capa señales y potencia, como se propone en este stack up.

Aclaremos igualmente que el uso de pistas es adecuado para la distribución de potencia, pero que los planos o polígonos siguen siendo necesarios en los pines de alimentación de los circuitos integrados y en sus condensadores de desacoplo. No se trata de aumentar la capacidad de carga, sino de reducir la inductancia al máximo en los puntos de entrada de potencia al chip. Los planos o polígonos son ideales para este fin.

Para una mejor compatibilidad electromagnética otra posible alternativa es la siguiente:

En este caso, usaríamos tanto Top como Bottom como planos de tierra (además de ser, evidentemente, las capas donde colocamos los componentes). Por medio de vías colocadas lo más cerca posible de los pads, pasamos las señales a las capas internas, donde las enrutaríamos (incluyendo la distribución de potencia).

Las dos capas de señal son las dos internas, logrando así un doble objetivo: por un lado, cada capa de señal tiene una referencia de tierra contigua. Por otro, ambas capas de señal están blindadas por las capas externas de tierra (formamos una jaula de Faraday).

Bien es cierto que el uso de vías sería obligado con esta construcción, lo cual perjudica moderadamente la integridad de señal.

Además, hay otro aspecto del diseño que no se puede obviar con este stack up. Las capas internas (dedicadas a señal y potencia) son contiguas entre ellas. A la hora de hacer el enrutado, hay que ser muy cuidadoso para evitar el efecto del crosstalk (interferencia cruzada o diafonía). Las pistas no deben estar situadas directamente encima o debajo entre ellas. Una buena estrategia sería enrutarlas de manera ortogonal: en una de las capas elegimos la dirección norte - sur y en la otra, oeste - este, por ejemplo.

Mi solución preferida

Desde mi punto de vista, el stack up para integridad de señal es el más favorable en prácticamente todos los aspectos. Si bien es inferior en cuanto a blindaje de radiaciones electromagnéticas, no es mucho peor que la segunda opción. Aporta muchas otras ventajas en cuanto a calidad de la señal y merece la pena.

Es la elección de casi todos mis diseños en 4 capas.