Fondamenti dello Stackup PCB

In confronto alla costruzione di un PCB, lo stackup si concentra maggiormente sul tipo elettrico di ogni strato. Lo spessore dei materiali o quali dielettrici vengono utilizzati è meno importante rispetto alla destinazione di ciascuno strato, come gli strati di segnale (SIG), di terra (GND) o di alimentazione (PWR).

Gli strati di segnale contengono prevalentemente tracce che trasportano segnali (a volte con alimentazione instradata o riempimenti di rame), mentre gli strati di alimentazione e di terra sono tipicamente riempimenti di rame solidi su tutto lo strato. Gli strati di terra sono utilizzati come riferimento per gli strati di segnale e i loro percorsi di ritorno, e uno strato di alimentazione è o un piano di alimentazione solido e continuo di una certa tensione o diverse isole o riempimenti di rame di vari livelli di tensione.

Prima di instradare un PCB, vogliamo determinare il nostro stackup, che dipende dal numero di strati disponibili. Poi, vogliamo esaminare gli strati uno per uno, assegnando terra, alimentazione o segnali a strati individuali.

Le combinazioni sono naturalmente anche possibili—possiamo mescolare alimentazione e terra, segnale e terra o segnale e alimentazione.

Strato di Terra

Uno dei tipi di strato più importanti è lo strato di massa. Questo tipo di strato è utilizzato prevalentemente come piano di riferimento o strato per i percorsi di ritorno dei segnali (e dell'alimentazione). Per ogni percorso in avanti, abbiamo bisogno di un percorso di ritorno per completare il circuito. 

Strato di Alimentazione

Uno strato di alimentazione è utilizzato per la distribuzione dell'energia. Tieni presente che per sistemi a bassa velocità e a bassa larghezza di banda non è completamente critico, e puoi instradare l'alimentazione con tracce sugli strati dei segnali. Tuttavia, i piani e gli strati di alimentazione diventano sempre più importanti in termini di consegna di potenza per circuiti ad alta velocità. Inoltre, se accoppiati con uno strato di massa su un piano adiacente a stretto contatto, questi formano un tipo di condensatore a piastre parallele.

Strato di Segnale

Infine, abbiamo il nostro strato di segnale dove instraderemo le nostre tracce, formando efficacemente il nostro percorso di segnale in avanti. Come visto in precedenza, possiamo utilizzare uno strato di massa o in certi casi anche uno strato di alimentazione come riferimento per il nostro percorso di ritorno.

Percorsi di Ritorno e Riferimenti

Ora la domanda è, come assegniamo i tipi di strato in un PCB in modo sensato? Abbiamo certi obiettivi per le prestazioni EMI, l'integrità del segnale e dell'alimentazione, e vogliamo un approccio sistematico per decidere lo stackup. Non vogliamo semplicemente assegnare arbitrariamente diversi tipi di strato.

Ci sono un paio di regole d'oro. In primo luogo, per i segnali AC nell'ordine di qualche kHz, il percorso di ritorno non è il percorso più breve ma piuttosto il percorso direttamente sotto la traccia (percorso in avanti). Questa è la parte con la minore impedenza. Ad esempio, per una traccia su un strato di segnale superiore e un piano di massa direttamente sotto al secondo strato, il percorso in avanti è sullo strato di segnale, e il percorso di ritorno è direttamente sotto quella traccia nel piano di massa sottostante.

Un'altra cosa da considerare è che l'energia del segnale scorre nello spazio dielettrico tra il rame (traccia e piano). Il rame quindi funge semplicemente da guida d'onda. Per una buona integrità del segnale e prestazioni EMI, dobbiamo prendere in considerazione sia il percorso in avanti che quello di ritorno, dove scorre l'energia del segnale e come è vincolata tra i percorsi in avanti e di ritorno.

In sostanza, è desiderabile avere un'accoppiamento stretto tra i piani di segnale e di massa e tra i piani di alimentazione e di massa per prevenire la diffusione dei campi. Il nostro obiettivo principale è evitare la diffusione dei campi, poiché la diffusione dei campi porta all'accoppiamento da segnale a segnale, che a sua volta porta al diafonia. La diffusione dei campi significa anche una certa forma di radiazione, che porta a problemi di EMI.

Assegnazione dei Livelli e Coppie di Livelli

Come facciamo a evitare la diffusione dei campi e a contenerli?

La cosa principale che noi, come ingegneri di progettazione PCB, dobbiamo tenere a mente, è che ogni percorso di segnale o di alimentazione in avanti necessita di un riferimento strettamente accoppiato. Inoltre, per segnali ad alta velocità o ad alta energia, ha senso utilizzare anche la stripline invece delle tracce microstrip. Stripline significa che abbiamo una traccia di segnale inserita tra due piani di massa, fornendo un buon accoppiamento del campo dal segnale ai due piani di massa su entrambi i lati.

Come detto in precedenza, un altro punto da considerare sono i piani di alimentazione e di massa adiacenti. Questo serve a migliorare la consegna di potenza ad alte frequenze dove i condensatori SMD (anche quelli in piccoli pacchetti) iniziano a comportarsi come induttivi. 

In sostanza, quando si progetta un impilamento, seguire la semplice regola di avere almeno uno strato di riferimento a terra adiacente a qualsiasi strato di segnale o di alimentazione, e si dovrebbe essere abbastanza al sicuro per iniziare.

Impilamenti Multistrato Raccomandati

Infine, ecco alcuni dei miei impilamenti multistrato preferiti che seguono le linee guida che abbiamo precedentemente delineato.

Quattro strati (alimentazione instradata): SIG – GND – GND – SIG

Sei strati: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG

Otto strati: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG – GND – SIG

Video di Rick Hartley

Infine, non posso raccomandare abbastanza un video di Rick Hartley su come ottenere una corretta messa a terra e scegliere correttamente i vostri impilamenti di strati. Nel video, Rick parla di molti dei principi delineati in questo articolo in modo molto più dettagliato. Date un'occhiata al video sul canale YouTube di Altium.