Projetando um Empilhamento de PCB de Quatro Camadas Sem Capacitância de Plano

Em uma série de artigos anteriores, abordei os desafios encontrados ao projetar placas com 16 camadas ou mais. Esses são os tipos de PCBs complexos encontrados em servidores de alta gama, switches e os produtos dos gigantes da nuvem que suportam as crescentes necessidades da Internet.

Contudo, muitos produtos não requerem esses tipos de placas complexas com alta contagem de camadas. Um exemplo são as dezenas de milhões de placas-mãe PCB de quatro camadas fabricadas anualmente para PCs e outros produtos relativamente de baixo custo, como os produtos Xbox™ da Microsoft. À primeira vista, pode parecer que projetar uma PCB de 4 camadas deveria ser uma tarefa fácil, mas, assim como qualquer outra placa, requer o tipo certo de layout e empilhamento. Além disso, existem desafios particulares quando se trata de projetar um empilhamento de PCB de quatro camadas com ou sem capacitância de plano. Como uma alta capacitância de plano não está disponível em uma PCB de quatro camadas sem planos de alimentação e terra adjacentes, outras abordagens devem ser utilizadas. Este artigo descreve como um empilhamento de PCB de quatro camadas é melhor projetado junto com como a falta de capacitância de plano é tratada.

Os ABCs de um Empilhamento de PCB de Quatro Camadas

Placas de Duas Camadas

Antes dos PCBs de quatro camadas, havia placas lógicas de duas camadas, como mostrado na Figura 1. Essas placas atendiam bem às necessidades eletrônicas e eram amplamente utilizadas antes que as coisas ficassem rápidas o suficiente para exigir as conexões de baixa indutância alcançadas com planos.

PCBs de Quatro Camadas

Os PCBs de quatro camadas têm sido o cavalo de batalha de computadores e jogos por 40 anos. Desde o primeiro dia, as placas-mãe de PCs têm sido de quatro camadas. E a necessidade de placas de quatro camadas só continuará a expandir à medida que mais produtos orientados ao consumidor são desenvolvidos.

Os aspectos técnicos que impulsionam um design de PCB de quatro camadas são:

• Dois bons planos que distribuem energia que são contínuos (geralmente abaixo das camadas superficiais).
• Camadas de trilhas que estão próximas a esses planos para que o diafonia e a impedância possam ser controlados.

Os principais fatores econômicos e empresariais na criação de um PCB de quatro camadas é fabricá-lo em quantidades enormes (fatores de milhões) com o menor custo possível. Esses volumes são necessários porque grandes quantias de dinheiro têm que ser gastas na criação das ferramentas que serão necessárias para construir as placas. Os principais benefícios das placas de quatro camadas incluem:

• Placas de quatro camadas se prestam facilmente a técnicas de laminação em massa que utilizam painéis de 36” x 48”.
• A imagem para as camadas internas, que são apenas planos, é feita com placas de exposição de vidro em vez de filme. Isso torna a ferramenta mais durável e mais estável mecanicamente.
• Após as camadas internas serem impressas e gravadas, prepreg e folha são colocados fora do laminado.
• Ao redor do exterior de cada placa no painel de 36” x 48”, existem pequenos fiduciais. O cobre no topo das placas é removido para que os fiduciais fiquem visíveis, e a broca pode ser alinhada ao padrão que está dentro das placas. Como resultado, não há necessidade de se preocupar com erros de deslocamento nos painéis muito grandes.

A Perspectiva de Design

Do ponto de vista do design, a montagem de PCB de quatro camadas mostrada em Figura 2 é bastante direta. Os elementos a ter em mente incluem:

• As duas camadas externas são camadas de sinal.
• As duas camadas do meio são Vdd e terra.
• A distância entre cada camada de sinal e o plano abaixo dela é definida como 4 ou 5 mils para controlar a impedância e o diafonia.
  • Essa distância força as duas camadas de plano a ficarem muito distantes uma da outra—40 mils ou mais.
  • A capacitância do plano com espaçamento de 40 mils é minúscula comparada ao que seria se os planos estivessem adjacentes (fator 10 menor).
    • A capacitância de alta qualidade necessária está no chip e no pacote (mais sobre isso mais tarde).

Outros fatores sobre placas de quatro camadas a se ter em mente incluem:

• Uma espessura de mais de 40 mils é mais do que suficiente para tornar uma placa rígida.
• Com uma placa de quatro camadas, as regras de roteamento para sinais de alta velocidade são mais rigorosas porque você não pode mudar de camadas sem risco de criar uma descontinuidade de impedância.
  • Deve haver um esforço conjunto entre as pessoas que definem os pinos do CI, as pessoas que definem os pinos do pacote e as pessoas que projetam a placa. Isso tem que ser negociado entre esses três grupos.
  • Todos os sinais de alta velocidade devem começar e terminar na mesma camada. Figura 3 é uma foto de uma seção de placa de quatro camadas com todos os sinais correndo na camada superficial superior.

• As vias em uma PCB de quatro camadas são vias passantes retas. Essas vias são tampadas para que nenhum contaminante possa passar de um lado da placa para o outro. Esse tipo de contaminação pode causar vazamento de pino para pino sob um BGA que não pode ser limpo e resulta no descarte de toda a montagem.
  • Vias cegas em uma placa de quatro camadas são desnecessárias porque elas apenas fariam a conexão das vias para o primeiro plano de alimentação.
  • Vias cegas aumentam o custo da placa.

E a Falta de Capacitância do Plano?

Como pode ser visto na Figura 4, e como mencionado acima, a capacitância interplano em uma placa-mãe de PC com um espaçamento de 40 mil é mínima (cerca de 5 pF por polegada quadrada de capacitância do plano). Mas uma fonte de capacitância de alta qualidade (baixa indutância) é necessária para fornecer corrente para carregar as linhas de dados e endereços.

Esta capacitância é fornecida pela integração de grandes quantidades de capacitância no próprio chip IC ou no pacote do componente. Esta mesma capacitância de baixa indutância é o caminho pelo qual as correntes de retorno encontram seu caminho de um plano para outro quando um sinal muda de camadas. Quando isso está ausente, os sinais precisam ser roteados de ponto a ponto enquanto permanecem na mesma camada de sinal.

Exemplos da capacitância no chip de componentes e módulos de memória incluem:

• Um chip DDR2 tem mais de 100 pF por pino de I/O incorporado para fornecer a carga às linhas que estão sendo acionadas.
• Um IC de power PC tem mais de 200 pF por pino de I/O incorporado para fornecer carga ao acionar linhas de extremidade única.
• Um IC de power PC tem na ordem de 50 nF incorporado para fornecer a carga ao núcleo à medida que muda do modo de espera para todo ativo.
• O processador IC personalizado projetado para o próximo supercomputador Blue Gene, que possui um barramento de memória de 512 bits de largura, tem 190 nF de capacitância no chip para suportar o transitório.

E Sobre PCBs de Quatro Camadas com Barramentos Largos?

Inicialmente, a necessidade de capacitância planar era para suportar transientes de comutação de grande amplitude e unilaterais, como os envolvidos em subsistemas de memória. No entanto, com os amplos barramentos de hoje, os seguintes fatores devem ser considerados.

• Como mencionado acima, em uma placa de quatro camadas com empilhamento sinal/terra/energia/sinal, há uma capacitância planar muito baixa.
• O único "caminho de retorno" para sinais que mudam de camadas são os capacitores discretos que funcionam mal nas frequências envolvidas em barramentos de dados rápidos.
  • Como resultado, os sinais devem permanecer na mesma camada de sinal por todo o comprimento do caminho.
• ICs que não possuem capacitância interna para suportar transições rápidas terão desempenho ruim em PCBs de quatro camadas, resultando em sistemas que operam de maneira instável e com alta EMI.
• Como resultado do precedente, uma combinação de capacitância interna e no pacote é necessária e o seguinte se aplica:
• Com geometrias de IC de 130 nanômetros e menores, a corrente dentro do IC ou núcleo pode frequentemente atingir dezenas de Amperes em tão pouco quanto 15 ps.
  • Transientes de corrente dessa magnitude e velocidade não podem ser suportados pela capacitância na PCB devido à indutância das esferas do pacote e vias.
• Combinar capacitores de ultra-baixa indutância montados em um pacote BGA bem projetado com capacitância no próprio chip resolve esse problema.

Resumo:

PCBs de quatro camadas são um pilar das indústrias de produtos de computadores e consoles de jogos. O design bem-sucedido de um empilhamento, layout e roteamento de PCB de quatro camadas baseia-se em regras de design válidas, e existem maneiras de fornecer capacitância quando as camadas internas do plano não oferecem capacitância interplano suficiente. Essa capacitância é fornecida no próprio CI ou por meio de uma combinação de configurações no chip e no pacote.

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Referências:

1. Ritchey, Lee W., e Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design,” Volume 2.
2. Ritchey, Lee W., Slides do Curso, “2-Day Signal Integrity and High-Speed System Design,” classe de treinamento.