Conception d'un empilement de PCB à 6 couches pour une meilleure CEM

Les PCB à 6 couches sont une solution économique et populaire pour une variété d'applications nécessitant un grand nombre de connexions et une petite taille. Les plus grands circuits imprimés peuvent fonctionner correctement avec un empilement à 4 couches, où des couches de signal peuvent être sacrifiées pour assurer l'isolation entre chaque côté du circuit. Avec le bon empilement à 6 couches, vous pouvez supprimer les interférences électromagnétiques (EMI) entre les différentes couches et accueillir des composants à pas fin avec un grand nombre de connexions. Cependant, il existe des cas où il est plus judicieux d'utiliser un empilement à 4 ou 8 couches, et comprendre la fonction des couches de plan dans le circuit est utile pour faire ce jugement.

Combien de couches d'alimentation, de masse et de signal ai-je besoin ?

La réponse à cette question est extrêmement importante et dépend vraiment de l'application de votre circuit. Si vous routez un circuit dense avec un espace limité, mais que tout fonctionne à basse vitesse ou en courant continu, vous pouvez souvent vous en sortir avec deux couches de plan et quatre couches de signal. Cependant, dans ce cas, vous pouvez souvent réduire le nombre de couches à 4 avec une disposition et un routage créatifs.

Si vous devez réduire significativement la susceptibilité aux interférences électromagnétiques (EMI), un empilement alternatif est utilisé, et vous devriez opter pour plus de couches d'alimentation/masse et moins de couches de signal. Si c'est une carte numérique ou une carte à signaux mixtes, le placement des signaux par rapport aux couches de plan, et une paire de plans d'alimentation/masse étroitement espacée, vous donneront la flexibilité nécessaire pour router partout sur la carte sans créer de problème d'EMI. L'ajout de plus de masse autour de la carte peut également avoir un effet de blindage significatif sans nécessiter une solution peu élégante comme les boîtiers de blindage.

Si vous mélangez des signaux numériques et analogiques, des signaux de haute et basse fréquence, ou une combinaison de tout cela, vous pouvez toujours faire une utilisation créative d'un empilement de PCB à 6 couches. À un certain moment, vous pourriez avoir besoin d'opter pour une carte plus grande ou plus de couches dans votre empilement (ou les deux !). Il existe de nombreuses combinaisons de couches de signal/plan pour les empilements de PCB à 6 couches, mais quelques-unes courantes seront présentées ci-dessous.

Exemples d'empilement de PCB à 6 couches

Avec cela à l'esprit, plongeons dans quelques exemples d'empilement de PCB à 6 couches :

Signal+PWR/GND/2 Couches de Signal/GND/Signal+PWR

Cet exemple de configuration en 6 couches pour PCB est une option populaire pour les débutants qui offre une protection pour les traces à basse vitesse sur la couche intérieure contre les traces sur les couches extérieures. Il y a également un couplage serré avec des plans solides. Vous pouvez router des signaux à fréquence plus basse/vitesse de commutation plus lente ou à travers une couche intérieure tant qu'ils sont orthogonaux. Je routerais des signaux numériques et/ou analogiques à haute vitesse sur les couches extérieures afin de les protéger les uns des autres et des traces à basse vitesse/fréquence sur les couches intérieures. Un exemple est montré ci-dessous.

À ce sujet, je ne mélangerais pas analogique et numérique dans les couches intérieures à moins que vous ne puissiez les séparer dans différentes régions de la carte. Cependant, dans ce type de situation où vous avez besoin d'une séparation entre les sections numériques et analogiques, vous pourriez probablement vous en sortir avec une configuration en 4 couches avec des plans internes et une disposition/routage créatifs, ou vous pouvez utiliser la disposition préférée SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR sur 4 couches (voir ici pour des directives).

Sur ce type d'empilement, ne faites pas de la couche 2 une couche de plan d'alimentation, et n'essayez pas de réaliser des paires couplées en largeur en parallèle sur L3+L4. Au lieu de cela, vous allez router l'alimentation (PWR) sur une couche de signal. Le principal problème avec cela est le manque de capacitance interplan entre les couches de plan d'alimentation et de masse et le chemin de retour à haute inductance de L1 à L5. Étant donné que ces couches de plan sont séparées, plus de découplages et de vias de retour à la masse seront nécessaires pour compenser les chemins de retour imprévisibles pour les signaux sur L1. Pour cette raison, ces cartes devraient probablement seulement être utilisées avec des systèmes d'alimentation ou DC qui n'ont pas besoin d'une prédiction et d'un suivi précis du chemin de retour.

Signal/Masse/PWR/Masse/Signal/Masse

Cet exemple de configuration en 6 couches pour PCB est un bon empilement asymétrique pour les cartes qui doivent fournir beaucoup de découplage aux signaux à haute vitesse, mais où la densité n'est pas si élevée qu'il est nécessaire d'avoir 3 couches de signaux. Un exemple est un mélange de signaux à haute vitesse (L1) et à basse vitesse (l5) car ceux-ci seront isolés l'un de l'autre, et la paire de plans PWR+GND rapprochés fournira un découplage élevé pour soutenir l'intégrité de puissance à haute vitesse. La couche de signal intérieure sera protégée de la couche de signal de surface car elle est enfermée entre deux plans de masse. Cela est également utile pour supprimer les interférences EMI avec la couche de signal intérieure, car les conducteurs solides fournissent un blindage efficace. Les plans de puissance et de masse seront probablement rapprochés pour fournir un découplage efficace pour les dispositifs numériques à haute vitesse.

Le principal problème avec ce stackup est qu'il permet uniquement un placement facile des composants sur la couche supérieure, à moins que vous ne commenciez à découper le plan de masse de la couche inférieure pour faire de la place pour les composants, donc vous construisez essentiellement une carte à 1 face. C'est une proposition coûteuse pour la fabrication car elle nécessite beaucoup de perçage pour placer des vias vers la couche de signal interne. Cela met en évidence les avantages d'un stackup de PCB à 4 couches ou à 8 couches. Avec un stackup à 8 couches, vous pouvez créer un arrangement similaire de puissance/masse adjacents dans les couches internes tout en accommodant également le routage interne et les composants/routage sur la couche inférieure.

Signal/GND/PWR/Signal/GND/Signal

Il s'agit d'une variation de la carte précédente qui offre une couche de signal supplémentaire. C'est un bon point de départ si vous travaillez avec un système numérique à nombre d'E/S modéré qui nécessite un contrôle d'impédance sur les couches extérieures. Par exemple, nous utilisons ce stackup sur des commutateurs réseau et des cartes à signaux mixtes fonctionnant à des débits de données de Gbps ou plus. L'inconvénient est la moindre découplage entre PWR et GND par rapport au stackup précédent. Le faible couplage PWR/GND est compensé par des banques de décaps. L4 peut alors être utilisé avec des signaux de vitesse inférieure qui sont référencés à PWR, qui auront alors un couplage direct retour à GND sur L2.

GND/Signal/PWR/GND/Signal/GND

Si votre carte doit être déployée dans un environnement électriquement bruyant, ou si elle doit être placée près d'une source de rayonnement fort, ce montage en couches offre une excellente suppression des interférences électromagnétiques (EMI). Avec l'ajout de vias de liaison espacés avec soin, vous pouvez fournir un blindage jusqu'à une haute fréquence (généralement bien dans la gamme des GHz). L'inconvénient est qu'il n'y a que deux couches de signaux, donc l'espace sur la carte pour le routage des signaux sera limité. Vous allez également découper le plan PWR avec des vias lors du routage entre les couches de signaux, ou vers les couches de surface. Cela dit, placer les couches de signaux entre des plans conducteurs empilés est un bon choix d'un point de vue compatibilité électromagnétique (CEM).

Ce montage en couches offre un autre avantage moins évident : une meilleure gestion thermique. Bien que ces cartes ne soient pas destinées aux systèmes de puissance avec de forts courants, les conducteurs de chaque côté d'une couche de signal et dans les couches internes peuvent aider à transporter la chaleur vers les bords et les surfaces de la carte, où elle peut ensuite être dissipée avec un refroidissement passif ou actif. Vous n'aurez pas le même niveau de dissipation de chaleur que vous auriez avec une carte à âme métallique ou en céramique, mais vous bénéficiez des avantages de plusieurs plans pour le blindage afin d'aider à la suppression des EMI.

Une note sur le routage entre plusieurs couches

Nous parlons souvent de router des vias à travers plusieurs couches, mais faire cela peut créer une discontinuité dans le chemin de retour qui augmente la zone de boucle pour le circuit. Dans ce cas, la capacité parasite entre les couches devra fournir une certaine décharge qui induit un courant de retour près du via du signal. Malheureusement, la capacité est généralement trop petite pour fournir un chemin de retour à faible impédance fiable. Pour cette raison, le chemin de retour apparaîtra dans le condensateur de découplage le plus proche, ou dans les vias que vous utilisez pour connecter les régions de masse sur plusieurs couches, tout cela pouvant être loin du via du signal. Le résultat est un chemin de retour très grand avec une grande inductance de boucle, et cela créera un nouveau problème de CEM que vous devrez résoudre.

En conséquence, il existe deux options courantes qui sont citées comme moyens d'éliminer l'EMI de ce manque de chemin de retour :

1. Placez un condensateur de découplage en parallèle avec la via de signal pour fournir le chemin de retour
2. Placez une via reliée à la terre ou une paire de vias reliées à la terre en parallèle avec la via de signal pour fournir le chemin de retour

À mon avis, la meilleure option consiste à placer une ou deux vias reliées à la terre le long de la via de signal tant que les deux plans de référence sont au même potentiel. Cela fournit un chemin de retour avec une faible inductance et sans rompre le couplage aux plans de référence. Ce besoin de fournir un chemin de retour est une raison pour laquelle un concepteur pourrait simplement remplir partout dans le layout avec des vias de liaison à la terre une fois le layout terminé.Si vous faites cela avec des vias de liaison, assurez-vous de lire cet article.

Pour voir d'autres cas d'utilisation impliquant des empilements à 6 couches pour fournir une suppression des EMI, spécifiquement dans les produits IoT, jetez un œil à la récente présentation de Ken Wyatt à AltiumLive 2022.

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