Como Projetar um Empilhamento Híbrido de PCB

O módulo de avaliação de radar da Texas Instruments mostrado acima é um exemplo de design que contém uma seção de ondas milimétricas (mmWave) completa com roteamento RF e transmissão de alta potência, bem como uma seção digital de velocidade moderada com múltiplos ICs. Não tenho afiliação com a TI, mas a principal razão pela qual gosto deste painel como ferramenta educacional é que ele mostra uma maneira de usar laminados baseados em PTFE como Rogers ou Taconic para construir um produto comercial de RF. Às vezes, quando falamos sobre o uso de laminados de PTFE ou alternativas como laminados de tecido de vidro de baixo Dk, não estamos falando de construir todo o empilhamento a partir de um material de PTFE caro com camadas de adesão.

Em alguns casos, faz sentido construir uma placa inteiramente de laminados de PTFE ou um laminado de baixo Dk. Eu fiz isso com backplanes de alta velocidade que suportam dezenas de interconexões longas em múltiplas camadas com limites de largura de banda em ~80 GHz. Quando você precisa rotear canais seriais multi-gig entre dois conectores ao longo de 15 polegadas de espaço na placa, você precisa reduzir as perdas ao mínimo possível para garantir que os sinais no receptor possam ser recuperados. No entanto, em outros casos, você realmente só precisa de um laminado de baixa perda em uma camada. Essa é a essência de um empilhamento híbrido de PCB, e pode ser uma escolha melhor para a sua placa.

Quando Usar um Empilhamento Híbrido de PCB

A primeira questão que deve surgir ao selecionar materiais e planejar um empilhamento é: quais materiais são necessários e quantas camadas devem ser usadas? Supondo que você determinou que precisa de um laminado de baixa perda e definiu a quantidade de camadas necessárias, é hora de considerar se você deve usar um empilhamento híbrido. Existem algumas situações gerais nas quais você poderia considerar o uso de um empilhamento híbrido com laminados de baixa perda na sua PCB:

• Economia de custos: Optar por PTFE integral ou materiais de baixo Dk pode ser caro. Para protótipos, a diferença de custo não é enorme, mas essas diferenças de custo se acumulam em grandes volumes.
• Contagem baixa de interconexões RF: Se você conseguir acomodar todos os sinais de alta velocidade/RF em uma única camada, não faz sentido construir toda a pilha com laminados especializados de baixa perda. Você pode considerar aumentar o tamanho da placa para reduzir a contagem de vias e acomodar tudo na camada de baixa perda.
• Designs para ondas milimétricas: Alguns sistemas RF operando na banda ISM ou WiFi de 6-7 GHz funcionarão bem em laminados de grau FR4, desde que as interconexões sejam curtas. Uma vez que você chega a frequências de radar automotivo ou mais altas, geralmente precisará de laminados de baixa perda, a menos que suas interconexões sejam muito curtas a ponto de serem impraticáveis.

A imagem abaixo mostra uma pilha híbrida de 6 camadas que apresentei em um post anterior. Esta pilha é um bom exemplo para módulos de radar ou outras aplicações especializadas de sinais de ondas milimétricas como imagiologia.

O empilhamento acima também é bom para sistemas digitais com larguras de banda que se estendem bem para o regime de ondas milimétricas (mmWave), embora seja necessário ter cuidado com a dispersão na camada de laminado de baixa perda. Os fabricantes de materiais RF tentam construir seus sistemas de laminados com dispersão plana até frequências GHz altas. No entanto, acima de algum limite de alta frequência, a dispersão ocorrerá novamente para criar mais perdas e distorção de fase nos sinais digitais. Se você estiver operando em frequências extremamente altas acima do limite sem dispersão, certifique-se de contatar o fornecedor do laminado para obter dados sobre a constante dielétrica para que você possa realizar cálculos precisos de impedância e parâmetros-S.

Além disso, alguns fabricantes podem dizer que esse empilhamento não pode ser fabricado porque você colocou PWR e SIG adjacentes nas duas camadas internas. Se a placa for pequena, isso não importará; esta placa não experimentará nenhum arqueamento até que seu alcance atinja tamanhos de backplane multi-U. Você também pode equilibrar a camada interna com preenchimento de cobre se necessário.

Fale com Seu Fabricante Cedo

Se você montou um empilhamento híbrido baseado em suas necessidades de perda, espessura da placa de circuito e contagem de camadas, você deve enviar seu empilhamento para o seu fabricante antes de iniciar o seu projeto. Isso é bastante importante, pois o fabricante pode determinar se a placa passará pelo ciclo de laminação sem decompor ou sofrer delaminação, já que alguns materiais precisam de temperaturas e pressões mais altas do que outros. Não tenha medo de contatar um fabricante antecipadamente para obter conselhos sobre o uso do seu laminado de baixa perda desejado em um empilhamento híbrido. Certifique-se de fornecer a eles:

• Contagem de camadas necessária
• Espessuras desejadas das camadas
• Material do laminado de baixa perda
• Materiais do laminado de preenchimento

Tente decidir quais requisitos são imprescindíveis versus desejáveis, pois você pode precisar comprometer-se em alguns dos seus requisitos.

Permita Espaço para Bondply

Seu fabricante pode fornecer algumas informações sobre a variação de espessura que você pode esperar ver na placa acabada, uma vez que o bondply é adicionado. Certifique-se de considerar isso ao planejar o empilhamento. Geralmente, você não precisa se preocupar com a constante dielétrica da camada de bondply, a menos que precise rotear sobre ela. Se você projetou com um laminado de baixa perda na camada superior, o bondply pode precisar ficar entre L2 e L3 para que o material de baixa perda adira aos laminados de grau FR4. Seu fabricante pode fornecer mais informações sobre este ponto.

Envie um Empilhamento Preliminar

Mesmo após criar um empilhamento preliminar, você deve enviá-lo ao seu fabricante para que possam inspecioná-lo antes da fabricação. Às vezes, você não está livre para escolher qualquer sistema de material e laminado de baixa perda que deseja usar em um empilhamento híbrido. Seu fabricante terá uma palavra a dizer sobre quais materiais estão disponíveis, têm baixo tempo de espera, ou se terão que terceirizar a fabricação. Se você conseguir que seu empilhamento seja revisado antes de criar o restante do seu projeto, seu fabricante poderia recomendar um sistema de material alternativo que seja compatível com o necessário processo de laminação de PCB. Eles também podem recomendar algumas espessuras de laminado alternativas que podem ajudá-lo a alcançar os requisitos de espessura total da placa de circuito.

Lendo Fichas Técnicas de Materiais

Se você está selecionando materiais para um empilhamento híbrido e quer ter um papel mais ativo na construção de um empilhamento híbrido, dê uma olhada nas fichas técnicas dos materiais antes de criar um empilhamento proposto. Tente combinar os valores de CTE, valores de Tg, temperatura de fluxo da resina e temperatura de cura para garantir total compatibilidade. Você ainda deve enviar o empilhamento para revisão para garantir a fabricabilidade.

Quando você precisa criar um empilhamento híbrido de PCB, as ferramentas de design de PCB no Altium Designer® incluem tudo o que você precisa para especificar a construção do seu empilhamento, calcular a impedância e importar as informações do empilhamento para os desenhos de fabricação. A utilidade Draftsman ajuda você a criar rapidamente desenhos de fabricação e montagem com o seu empilhamento híbrido de PCB e exportá-los em formato PDF. Quando você terminar o seu design e quiser liberar os arquivos para o seu fabricante, a plataforma Altium 365™ facilita a colaboração e o compartilhamento dos seus projetos.

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