Progettazione di un Stackup PCB a 6 strati per una migliore EMC

I PCB a 6 strati rappresentano una soluzione economica e popolare per una varietà di applicazioni con un alto numero di connessioni e dimensioni ridotte. Le schede più grandi possono funzionare bene con un impilamento a 4 strati, dove i livelli di segnale possono essere sacrificati per garantire l'isolamento tra ciascun lato della scheda. Con il giusto impilamento a 6 strati, è possibile sopprimere l'EMI tra i diversi strati e ospitare componenti a passo fine con un alto numero di connessioni. Tuttavia, ci sono casi in cui ha più senso utilizzare un impilamento a 4 o 8 strati, e comprendere la funzione dei livelli di piano nella scheda aiuta a fare questa valutazione.

Quanti piani di alimentazione, massa e segnale mi servono?

La risposta a questa domanda è estremamente importante e dipende davvero dall'applicazione della tua scheda. Se stai progettando una scheda densa con spazio limitato, ma tutto è a bassa velocità o in DC, spesso puoi cavartela bene con due strati di piano e quattro strati di segnale. Tuttavia, in quel caso, spesso è possibile ridurre il numero di strati a 4 con un layout e un routing creativi.

Se hai bisogno di ridurre significativamente la suscettibilità all'EMI, viene utilizzato un impilamento alternativo, e dovresti optare per più strati di alimentazione/terra e meno strati di segnale. Se si tratta di una scheda digitale o di una scheda a segnali misti, il posizionamento del segnale rispetto agli strati di piano, e una coppia di piani di alimentazione/terra vicini, ti daranno la flessibilità di cui hai bisogno per instradare ovunque nella scheda senza creare un problema di EMI. L'aggiunta di più terra intorno alla scheda può anche avere un significativo effetto di schermatura senza la necessità di una soluzione poco elegante come le scatole di schermatura.

Se dovrai mescolare segnali digitali e analogici, segnali ad alta e bassa frequenza, o una combinazione di tutti questi, puoi comunque fare un uso creativo di un impilamento PCB a 6 strati. A un certo punto, potresti dover optare per una scheda più grande o più strati nel tuo impilamento (o entrambi!). Ci sono molte combinazioni di strati di segnale/piano per gli impilamenti PCB a 6 strati, ma di seguito verranno mostrati alcuni comuni.

Esempi di Impilamento PCB a 6 Strati

Con questo in mente, esaminiamo alcuni esempi di impilamento PCB a 6 strati:

Segnale+PWR/GND/2 Strati di Segnale/GND/Segnale+PWR

Questo esempio di impilamento PCB a 6 strati è un'opzione popolare di livello base che fornisce schermatura per le tracce a bassa velocità sullo strato interno dalle tracce sugli strati esterni. Vi è anche un accoppiamento stretto a piani solidi. È possibile instradare segnali con frequenze più basse/velocità di commutazione più lente o attraverso uno strato interno purché siano ortogonali. Io instraderei segnali digitali e/o analogici ad alta velocità sugli strati esterni al fine di schermarli l'uno dall'altro e dalle tracce a bassa velocità/frequenza sugli strati interni. Di seguito è mostrato un esempio.

In questo caso, non mescolerei analogico e digitale negli strati interni a meno che non si possano separare in diverse regioni della scheda. Tuttavia, in quel tipo di situazione in cui è necessaria una separazione tra le sezioni digitali e analogiche, si potrebbe probabilmente arrangiarsi con un impilamento a 4 strati con piani interni e un layout/instradamento creativo, oppure si può utilizzare la disposizione preferita SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR su 4 strati (vedi qui per le linee guida).

In questo tipo di impilamento, non rendere il livello 2 un piano di alimentazione e non cercare di fare coppie accoppiate sullo stesso lato in parallelo su L3+L4. Invece, dovrai instradare PWR su un livello di segnale. Il problema principale con ciò è la mancanza di capacitanza interplanare tra i piani di alimentazione e di terra e l'alto percorso di ritorno dell'induttanza da L1 a L5. Poiché questi piani sono separati, saranno necessari più decoupling capacitors e vie di ritorno a terra per compensare i percorsi di ritorno imprevedibili per i segnali su L1. Per questa ragione, queste schede dovrebbero probabilmente essere utilizzate solo con sistemi di alimentazione o DC che non necessitano di una precisa previsione e tracciamento del percorso di ritorno.

Segnale/Terra/Alimentazione/Terra/Segnale/Terra

Questo esempio di impilamento a 6 strati per PCB è un buon impilamento asimmetrico per schede che necessitano di fornire molto accoppiamento per segnali ad alta velocità, ma dove la densità non è così elevata da necessitare di 3 strati per i segnali. Un esempio è un mix di segnali ad alta velocità (L1) e bassa velocità (l5), poiché questi saranno isolati l'uno dall'altro, e la coppia di piani PWR+GND vicini fornirà un alto accoppiamento per supportare l'integrità della potenza ad alta velocità. Lo strato di segnale interno sarà schermato dallo strato di segnale superficiale poiché è incapsulato tra due piani di massa. È utile anche per sopprimere l'EMI dall'interferire con lo strato di segnale interno poiché i conduttori solidi forniscono una schermatura efficace. I piani di alimentazione e di massa saranno probabilmente vicini per fornire un accoppiamento efficace per dispositivi digitali ad alta velocità.

Il principale problema di questo stackup è che permette facilmente la collocazione dei componenti solo sullo strato superiore, a meno che non si inizi a rimuovere il ground dallo strato inferiore per fare spazio ai componenti, quindi si sta sostanzialmente costruendo solo un circuito stampato monofaccia. Questa è una proposta costosa per la fabbricazione poiché richiede molte perforazioni per posizionare le vie allo strato di segnale interno. Ciò evidenzia i vantaggi di uno stackup di PCB a 4 o 8 strati. Con uno stackup a 8 strati, è possibile creare un arrangiamento simile di power/ground adiacenti negli strati interni, pur consentendo anche il routing interno e la collocazione di componenti/routing sullo strato inferiore.

Segnale/GND/PWR/Segnale/GND/Segnale

Questa è una variante della scheda precedente che fornisce un ulteriore strato di segnale. Questo è un buon punto di partenza se stai lavorando con un sistema digitale con un conteggio moderato di I/O che richiede il controllo dell'impedenza sugli strati esterni. Ad esempio, utilizziamo questo stackup su switch di rete e schede a segnale misto che operano a tassi di dati di Gbps o superiori. Lo svantaggio è la minore decouplazione tra PWR e GND rispetto allo stackup precedente. La bassa accoppiata PWR/GND è compensata con banchi di decoupling capacitors. L4 può quindi essere utilizzato con segnali a velocità inferiore che sono riferiti a PWR, che avranno quindi un accoppiamento diretto di ritorno a GND su L2.

GND/Signal/PWR/GND/Signal/GND

Se la tua scheda verrà impiegata in un ambiente elettricamente rumoroso, o se verrà posizionata vicino a una fonte di forte radiazione, questo stackup offre un'eccellente soppressione delle EMI. Con l'aggiunta di piste di collegamento (vias) distanziate con cura, puoi fornire una schermatura fino ad alcune alte frequenze (solitamente ben oltre la gamma dei GHz). Lo svantaggio è che ci sono solo due strati di segnale, quindi lo spazio sulla scheda per il routing dei segnali sarà limitato. Inoltre, sarai costretto a tagliare il piano di alimentazione (PWR) con le vias quando effettui il routing tra gli strati di segnale o verso gli strati superficiali. Detto questo, posizionare gli strati di segnale tra piani conduttivi impilati è una buona scelta da un punto di vista della compatibilità elettromagnetica (EMC).

Questo stack di strati offre un altro vantaggio non così ovvio: una migliore gestione termica. Anche se queste schede non sono destinate a sistemi di alimentazione con alte correnti, i conduttori su ciascun lato di uno strato di segnale e negli strati interni possono aiutare a trasportare il calore verso i bordi e le superfici della scheda, dove può poi essere dissipato con raffreddamento passivo o attivo. Non avrai lo stesso livello di dissipazione del calore che avresti con una scheda a nucleo metallico o in ceramica, ma hai i vantaggi di più piani per la schermatura per aiutare nella soppressione delle EMI.

Una Nota sul Routing tra Più Strati

Spesso si parla di instradare le vie attraverso più strati, ma farlo può creare una discontinuità nel percorso di ritorno che aumenta l'area del loop per il circuito. In questo caso, la capacità parassita tra gli strati dovrà fornire una certa scarica che induce una corrente di ritorno vicino alla via del segnale. Sfortunatamente, la capacità è solitamente troppo piccola per fornire un percorso di ritorno a bassa impedenza affidabile. Per questo motivo, il percorso di ritorno apparirà nel condensatore di decoupling più vicino, o nelle vie utilizzate per collegare le regioni di terra su più strati, tutti potenzialmente lontani dalla via del segnale. Il risultato è un percorso di ritorno molto grande con un'induttanza di loop elevata, e ciò creerà un nuovo problema EMC che dovrai risolvere.

Di conseguenza, ci sono due opzioni comuni che vengono citate come modi per eliminare l'EMI da questa mancanza di un percorso di ritorno:

1. Posiziona un condensatore di disaccoppiamento in parallelo con il via del segnale per fornire il percorso di ritorno
2. Posiziona un via collegato a terra o una coppia di via collegati a terra in parallelo con il via del segnale per fornire il percorso di ritorno

A mio avviso, l'opzione migliore è posizionare uno o due via collegati a terra che corrono lungo il via del segnale, purché i due piani di riferimento siano allo stesso potenziale. Questo fornisce un percorso di ritorno con bassa induttanza e senza interrompere il collegamento ai piani di riferimento. La necessità di fornire un percorso di ritorno è uno dei motivi per cui un progettista potrebbe semplicemente riempire ovunque nel layout con via di stitching collegati a terra una volta terminato il layout.Se fai ciò con i via di stitching, assicurati di leggere questo articolo.

Per vedere alcuni altri casi d'uso che coinvolgono impilamenti a 6 strati per fornire la soppressione EMI, in particolare nei prodotti IoT, dai un'occhiata alla recente presentazione di Ken Wyatt ad AltiumLive 2022.

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