Restrições de projeto que vêm do empilhamento da PCB

O stackup da sua PCB define muito mais do que o número de camadas de cobre na placa. Ele estabelece os limites físicos que controlam a geometria das vias, a largura das trilhas, o espaçamento, a densidade de roteamento, a impedância, a espessura do cobre e a sequência de fabricação. Mais importante ainda, simplesmente adicionar camadas ou vias cegas/enterradas não oferece liberdade ilimitada de roteamento; em vez disso, isso altera as restrições no projeto e pode limitar sua capacidade de rotear, montar e/ou fabricar o design.

Felizmente, entender esses fatores pode ajudar os projetistas a tomar decisões mais inteligentes sobre o stackup, em vez de depender de contagens maiores de camadas e pilhas avançadas de vias como muletas. O pior cenário é concluir um projeto e só então descobrir que ele não pode ser fabricado dadas as restrições usadas para completar o layout. Os projetistas podem evitar esses problemas entendendo como o stackup da PCB determina regras de design específicas no layout da PCB.

Como o Stackup da Sua PCB Determina as Regras de Design

À medida que a contagem de componentes e a densidade de interconexão aumentam, o número de camadas da PCB normalmente também aumenta. Isso geralmente é feito para acomodar BGAs modernos e encapsulamentos de passo fino com terminação inferior, fazendo com que a contagem de camadas e a espessura total do stackup cresçam em resposta. Interfaces de alta velocidade também podem exigir espessuras específicas de dielétrico para atingir impedância controlada com larguras de trilha fabricáveis.

Esses requisitos interagem com a espessura total da placa. Uma placa com muitas camadas construída com camadas dielétricas relativamente espessas pode rapidamente se tornar espessa demais para furação passante padrão. Camadas dielétricas muito finas podem melhorar a densidade de roteamento, mas também podem empurrar o projeto para processos de fabricação HDI. Portanto, o stackup precisa equilibrar densidade de roteamento, requisitos de impedância, espessura total e capacidade de fabricação.

As restrições mais comuns determinadas pelo stackup podem ser resumidas da seguinte forma:

Razão de Aspecto de Via Passante

As vias passantes são um dos pontos mais fáceis para criar um projeto impossível de fabricar. O valor determinante é a razão de aspecto entre a espessura da placa e o diâmetro final do furo. À medida que a placa fica mais espessa ou a furação fica menor, torna-se mais difícil metalizar toda a profundidade da via. No entanto, por vários motivos, softwares de design de PCB não permitem que os usuários definam a razão de aspecto como uma regra de design e, em vez disso, exigem que o usuário defina tamanhos mínimos permitidos de furo para diferentes tipos de via.

Por exemplo, colocar vias com acabamento de 0,15 mm em uma PCB com 2 mm de espessura cria uma razão de aspecto muito agressiva que a maioria das fabricantes rejeitará. Mesmo em uma espessura nominal de placa de 62 mil (1,57 mm), esse tamanho de furação pode estar fora da capacidade padrão de processo de muitos fabricantes. Isso se torna especialmente relevante quando BGAs grandes ou layouts QFN densos incentivam os projetistas a reduzir o diâmetro da via para criar mais canais de roteamento:

• Em um BGA grande que pode aceitar furos passantes no fanout routing, mais pinos equivalem a mais camadas no stackup e, portanto, maior espessura
• À medida que você aumenta a espessura da placa, os furos passantes se aproximam do limite de razão de aspecto, e aumentá-los de tamanho eventualmente atinge o limite de espaçamento

A restrição correta deve vir do fabricante, e não de uma regra genérica de design de PCB. A maioria das fabricantes aceitará um diâmetro de furação de 8 mil em uma PCB de espessura padrão fabricada conforme os padrões de acabamento IPC Classe 2; para Classe 3, elas podem reduzir a razão de aspecto permitida. Depois que a razão de aspecto máxima suportada for conhecida, o diâmetro mínimo permitido da furação poderá ser determinado a partir da espessura pretendida da placa.

O Peso do Cobre Altera as Regras de Roteamento

O peso do cobre é outro parâmetro do stackup que restringe a densidade de roteamento. À medida que o cobre final fica mais espesso, a largura mínima fabricável da trilha e o espaçamento cobre a cobre geralmente aumentam. Em termos de regras de design de PCB, isso significa que camadas internas e externas podem exigir restrições de roteamento diferentes. Um stackup comum pode usar cobre de 0,5 oz nas camadas internas e cobre final de 1 oz nas camadas externas. As camadas externas então exigiriam larguras mínimas e espaçamentos muito maiores do que as camadas internas de roteamento.

A distinção entre cobre base e cobre final também é importante. As camadas externas ganham cobre adicional durante a metalização dos furos passantes, portanto uma camada que começa como folha de cobre de 1 oz pode terminar muito mais espessa. Portanto, os projetistas devem especificar os requisitos de cobre final na documentação de fabricação e usar regras de design que reflitam o peso final do cobre.

Exemplo de mínimos de espaçamento/tamanho de recurso versus peso do cobre (observação: uma tabela diferente seria usada para camadas internas)

Referências das fontes: Bittele Electronics e PCBWay.

Quando a espessura do cobre atinge 2 oz ou mais, o espaçamento entre trilhas, a tolerância de corrosão, o preenchimento de resina, a cobertura da máscara de solda e a soldabilidade tornam-se todos mais restritivos. É por isso que, em muitos projetos de eletrônica de potência, ou projetos digitais que também exigem altas correntes, adicionar camadas adicionais de roteamento ou planos de 1 oz pode oferecer muito mais liberdade de projeto do que forçar filmes de cobre pesado em um pequeno número de camadas. Em termos de custo, as duas abordagens são basicamente equivalentes.

Vias Cegas e Enterradas em Sublaminações

Vias cegas e enterradas perfuradas mecanicamente introduzem restrições que estão diretamente ligadas à sequência de fabricação e às capacidades padrão de fabricação, particularmente no que diz respeito à furação. Existem regras importantes relacionadas a vias cegas/enterradas em sublaminações:

1. Regra de início e fim - Um vão de via cega/enterrada perfurada mecanicamente não pode terminar na mesma camada em que começa um vão diferente de via perfurada mecanicamente. A exceção é quando se usa laminação sequencial, ou então serão necessárias vias cegas perfuradas a laser, o que permitiria empilhamento.
2. Sem vias cruzadas - Vãos de vias cegas/enterradas perfuradas mecanicamente não podem cruzar uns sobre os outros, mas os vãos de via podem ser aninhados.
3. União com prepreg - Ao unir sublaminações, os sub-stackups só podem ser unidos com prepregs, não com núcleos.

Como abordagem básica de projeto, se você estiver visando um diâmetro específico de via enterrada (como para fanout de BGA), então a razão de aspecto da furação precisa ser planejada ao criar o stackup. Cada vão não relacionado de via cega/enterrada pode exigir sublaminações adicionais, operações de furação e etapas de metalização, cada uma das quais adiciona peso de cobre, aumenta os requisitos de espaçamento/tamanho e reduz a razão de aspecto permitida.

O processo de metalização também altera a espessura do cobre no início e no fim dos vãos de vias enterradas perfuradas mecanicamente. Essas camadas de cobre expostas recebem metalização adicional quando os barris das vias enterradas são formados. A espessura final resultante do cobre pode afetar os espaçamentos de roteamento, os cálculos de impedância e a compensação de corrosão nessas camadas.

Laminação Sequencial e Restrições de HDI

A laminação sequencial introduz outro conjunto de limites quando microvias perfuradas a laser são usadas. O diâmetro permitido para furação a laser depende da espessura do dielétrico entre camadas adjacentes de cobre, e normalmente é exigida uma razão de aspecto menor que 1, razão pela qual as camadas de buildup de HDI costumam ser finas. Se o dielétrico ficar espesso demais em relação ao diâmetro perfurado a laser, a via excede a razão de aspecto de microvia suportada pelo fabricante.

Cada ciclo sequencial de buildup também adiciona etapas de fabricação. Microvias empilhadas podem exigir vias preenchidas e planarizadas antes que outra microvia possa ser colocada diretamente acima delas, e os fabricantes podem limitar o número de níveis empilhados que suportam. Microvias escalonadas podem evitar alguns desses requisitos de empilhamento, mas consomem mais área de roteamento.

Muitos stackups práticos de HDI combinam laminação sequencial com um núcleo de via enterrada perfurada mecanicamente. Isso dá ao projetista tanto microvias próximas às camadas externas quanto conexões enterradas mais longas através do centro da placa. Uma opção comum que suporta empilhamento de microvias em direção às camadas internas e BGAs sobrepostos em ambos os lados da PCB é mostrada abaixo.

Defina as Restrições de Fabricação Antes do Roteamento

O stackup de PCB mais eficiente é aquele que suporta o roteamento necessário sem empurrar a fabricação para etapas de processo desnecessárias. Antes de iniciar o posicionamento e o roteamento, use os pesos finais de cobre, a razão de aspecto permitida para furação mecânica e qualquer empilhamento de microvias do fabricante selecionado para definir algumas regras básicas de design:

• Tamanho e espaçamento dos recursos de cobre
• Limites de tamanho de vias para vários tipos de via
• Valores de largura/espaçamento de trilha para linhas de impedância controlada
• Defina os recursos de cobre para camadas internas e externas com base no peso do cobre

Essas regras simples de design de PCB evitam que o layout evolua para algo que exija reformulações extensas para se tornar fabricável. Para entender melhor as regras de design e as limitações impostas por estruturas de vias enterradas em stackups mais avançados, assista ao vídeo abaixo.

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Perguntas frequentes

Como a espessura da PCB afeta a razão de aspecto de uma via metalizada?

A espessura da PCB afeta diretamente a razão de aspecto de uma via metalizada. À medida que a placa se torna mais espessa, um determinado diâmetro de furação produz uma razão de aspecto maior, o que torna mais difícil obter um revestimento uniforme do barril da via. Os projetistas devem determinar a razão de aspecto máxima suportada pelo fabricante e usar a espessura pretendida da placa para estabelecer o diâmetro mínimo permitido do furo acabado.

Quando um empilhamento de PCB exige laminação sequencial?

A laminação sequencial normalmente é necessária quando o empilhamento utiliza microvias perfuradas a laser que conectam múltiplas camadas de buildup ou quando as estruturas de vias não podem ser produzidas em um único ciclo convencional de laminação. Cada ciclo de buildup adiciona etapas de fabricação, e microvias empilhadas podem precisar ser preenchidas e planarizadas antes que outra microvia possa ser posicionada acima delas.

Vias cegas e enterradas podem se cruzar ou se sobrepor em um empilhamento de PCB?

Os trechos de vias cegas e enterradas perfuradas mecanicamente geralmente não podem se cruzar entre si, embora possam ser aninhados. Um trecho de via perfurada mecanicamente também não pode terminar na mesma camada em que outro trecho perfurado mecanicamente começa, a menos que seja usada laminação sequencial. Microvias perfuradas a laser oferecem flexibilidade adicional e podem suportar estruturas empilhadas quando o processo de fabricação permite isso.

Por que as camadas externas da PCB exigem regras diferentes de largura de trilha e espaçamento em relação às camadas internas?

As camadas externas da PCB podem exigir larguras de trilha e espaçamentos maiores porque recebem cobre adicional durante a metalização de furos. Como resultado, a espessura final do cobre pode ser maior do que a espessura inicial da folha e maior do que o cobre usado nas camadas internas. Portanto, as regras de projeto de PCB devem refletir o peso final do cobre de cada camada, em vez de aplicar regras idênticas a todo o empilhamento.

Como o peso do cobre afeta a largura e o espaçamento das trilhas da PCB?

À medida que o peso final do cobre aumenta, a largura mínima fabricável das trilhas e o espaçamento cobre a cobre geralmente também aumentam. Cobre mais pesado exige maior tolerância para gravação e tolerâncias de fabricação, reduzindo a densidade de roteamento disponível naquela camada. Por exemplo, o artigo mostra tamanhos mínimos padrão aumentando de 4 mil com cobre de 0,5 oz para 8 mil com cobre de 2 oz.