Considerações sobre Empilhamento de Camadas de Placa para Design de Placas de Alta Velocidade

Designs de alta velocidade só operarão com sucesso quando forem construídos com o empilhamento de PCB correto. Seu empilhamento deve ter o arranjo correto de planos de alimentação e terra, com camadas suficientes alocadas para sinal, e todos com conjuntos de materiais e seleção de cobre que possam ser fabricados na escala e custo apropriados. Se um projetista conseguir acertar no empilhamento, então o roteamento com integridade de sinal assegurada será muito mais fácil, e muitos dos problemas de EMI mais simples serão suprimidos ou prevenidos.

Para ajudar os projetistas a engenhar e construir empilhamentos de alta velocidade mais rapidamente, que suportem o roteamento necessário e a integridade de sinal, compilamos recursos importantes para diferentes classes de empilhamentos de alta velocidade.

Empilhamentos com Poucas Camadas

PCBs de alta velocidade mais simples começarão como placas de 4 camadas. Minha opinião firme é que placas de 2 camadas não devem ser usadas para designs que suportarão interfaces digitais de alta velocidade com controle de impedância porque elas não podem garantir a integridade do sinal ou o controle de ruído. Qualquer profissional de design confirmará este ponto.

Os três principais tipos de empilhamentos de PCB de 4 camadas que podem suportar sinais de alta velocidade são mostrados abaixo. Entre esses empilhamentos, a Opção 1 é, sem dúvida, a melhor escolha, pois oferece a maior flexibilidade na roteirização, e pode ser usada como uma placa de dois lados. A Opção 2 também pode ser usada para colocação de dois lados, mas limita onde os sinais podem ser roteirizados porque pode haver diafonia na camada interna. A Opção 3 é boa se você tiver requisitos de alta potência, mas você só pode roteirizar sinais de alta velocidade em uma camada; passivos ou mecânicos ainda poderiam ser colocados na camada traseira.

• Saiba mais sobre as melhores opções de empilhamento de 4 camadas para PCBs de dois lados

Quando são necessárias contagens de sinal mais altas, como colocar sinais de baixa velocidade em uma camada interna, o próximo passo é estender a Opção 1 para um número maior de camadas. Isso começaria com um empilhamento de 6 camadas, onde uma camada de potência dedicada e uma camada de sinal são adicionadas ao empilhamento mostrado na Opção 1 acima. Este empilhamento é útil por dois motivos:

• Camadas superficiais são boas para interfaces de alta velocidade com impedância controlada
• Camadas internas podem suportar a maioria das interfaces mais lentas ou sinais de controle
• A camada de potência pode ser dividida em vários trilhos grandes para suportar diferentes níveis de tensão de núcleo.

O mesmo procedimento pode ser usado para estender o empilhamento para 8 ou mais camadas com sinais de alta velocidade; este tipo de empilhamento de PCB é discutido na próxima seção.

• Saiba mais sobre empilhamentos de PCB de 6 camadas que podem suportar PCBs de alta velocidade

Contagens de Camadas Moderadas

Em algum momento, o empilhamento da placa pode se tornar tão espesso que a espessura total do PCB será maior que o valor padrão. Em termos de fabricação, isso não é um problema; os processos padrão de prensagem por laminação podem lidar com placas além do valor de espessura padrão e alcançar vários mm de espessura. Se seu objetivo é uma placa fina, então você precisará de camadas mais finas; as opções são laminados de PTFE reforçado (discutido abaixo) ou passar diretamente para o processamento HDI.

Placas com contagem de camadas moderadas (acima de ~8 camadas) podem tender a ter múltiplas camadas de planos alocadas para energia, bem como camadas de sinal adicionais. Para placas com contagem de camadas moderadas, existem algumas diretrizes simples que podem ajudar a suprimir a EMI e garantir a integridade da energia:

• É aceitável dividir um plano de alimentação em vários trilhos, desde que os sinais não sejam referenciados a essa camada do plano
• Se houver múltiplos planos de alimentação, não empilhe os planos de alimentação em camadas adjacentes; separe-os com um plano GND
• Coloque sinais rápidos em camadas internas entre dois planos GND; não os referencie a planos de alimentação com divisões
• Use apenas as camadas superficiais para microstrips rápidos, algum roteamento de alimentação se necessário, ealgum preenchimento GND se necessário

Essas diretrizes podem fazer com que você adicione algumas camadas extras ao seu projeto, mas os benefícios serão um controle de ruído muito maior, integridade de alimentação e integridade de sinal.

Empilhamentos Mais Avançados

A ideia de "mais avançado" no contexto do design de PCB de alta velocidade pode significar muitas coisas. Em designs digitais de alta velocidade, isso poderia ter dois significados possíveis em termos de seleção e arranjo de camadas:

• Camadas finas para suportar roteamento HDI
• Contagens altas de camadas que forçam o uso de camadas finas
• Roteamento em BGAs de passo fino em múltiplas camadas (mas não necessariamente com HDI)

Em outras palavras, você pode ter camadas de sinal muito finas (por exemplo, 4 mils) com FR4 reforçado com vidro com uma contagem baixa de camadas, ou você pode ter contagens muito altas de camadas que forçam o uso de camadas finas e possivelmente materiais alternativos.

As considerações no design de empilhamento de camadas de alta velocidade para essas PCBs focam nas larguras de linha necessárias para os componentes e na fabricabilidade, não simplesmente nos valores de Dk e Df para um empilhamento. Em alguns casos, um laminado de baixo-Dk, baixo-Df é necessário nas camadas de sinal, mas não simplesmente porque as perdas são menores. Nestes designs, a fabricabilidade e a integridade do sinal reinam supremas, e laminados finos podem ser a resposta para muitos desafios em empilhamentos de alta velocidade com alta contagem de camadas e/ou camadas de sinal finas. A principal opção atual para placas mais finas que podem eliminar a necessidade de avançar para o processamento mais avançado ou processamento HDI são os laminados de PTFE reforçados, que estão disponíveis em espessuras abaixo de 4 mils.

• Aprenda mais sobre design de empilhamento para PCBs de alta velocidade avançadas

Outros Recursos

As outras áreas do design de empilhamento que são importantes para PCBs de alta velocidade são a integridade de energia e a integridade de sinal. Há também a necessidade potencial de mudar para designs HDI quando pacotes BGA têm espaçamento muito fino, e quando as camadas ficam muito finas. Dê uma olhada nestes recursos para aprender mais sobre estas áreas importantes do design de PCB:

• 11 Materiais HDI Que Você Precisa Conhecer
• Design de Empilhamento 2+N+2 para Placas HDI
• Ebook: Guia de Simulação e Análise de PDN
• O Impacto do Design de Empilhamento na Integridade de Sinal

Quando você precisa especificar materiais, construir um empilhamento e realizar cálculos de impedância para suportar PCBs de alta velocidade, certifique-se de usar o conjunto completo de ferramentas de design de PCB em Altium Designer. Quando você terminar seu design e quiser liberar arquivos para seu fabricante, a plataforma Altium 365 facilita a colaboração e o compartilhamento de seus projetos.

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