Estratégias de Roteamento de PCB para Empilhamentos de Alta Contagem de Camadas

As estratégias usadas para rotear PCBs com maior número de camadas são diversas e dependerão da funcionalidade na PCB. Placas com alto número de camadas podem envolver muitos tipos diferentes de sinais, variando de grupos de interfaces digitais de baixa velocidade a múltiplas interfaces digitais de alta velocidade com diferentes requisitos de integridade de sinal. Isso apresenta um desafio do ponto de vista do planejamento de roteamento e da atribuição de camadas de sinal a várias interfaces.

Não podemos mencionar estratégias de roteamento em PCBs de alta contagem de camadas sem também mencionar o design de pinout em muitos BGAs. Um BGA de alta contagem de pinos pode conter muitas interfaces digitais diferentes, particularmente se o componente for um microprocessador típico ou um FPGA. Isso é um dos impulsionadores mais comuns de alta contagem de camadas na PCB.

Como temos múltiplos desafios se apresentando simultaneamente em um design de alta contagem de camadas, vou passar por esses desafios e algumas estratégias que você pode usar para rotear com sucesso uma PCB de alta contagem de camadas.

O Que Impulsiona uma Alta Contagem de Camadas em PCBs?

Como mencionei na introdução, o fator mais comum que levará uma PCB a ter uma contagem de camadas muito alta é a presença de um grande BGA. Esses componentes têm uma alta contagem de pinos no lado inferior do dispositivo e exigirão mais camadas para que os sinais alcancem os pinos. Como esses componentes são frequentemente ASICs especializados, microprocessadores ou FPGAs, eles também contêm muitas interfaces digitais com diferentes requisitos de integridade de sinal e roteamento, bem como muitos pinos de alimentação e terra.

Muitos projetistas se lembrarão da fórmula simples para estimar o número de camadas necessário para alcançar todos os pinos em um BGA. Quando o espaçamento do BGA é grande o suficiente para que um sinal seja roteado entre os pinos, podemos encaixar duas fileiras de pinos do BGA por camada de sinal:

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Para um pacote BGA de espaçamento grosso onde podemos encaixar trilhas entre as esferas, podemos rotear 2 fileiras/colunas por camada.

Algumas impressões de BGA podem ser bastante complexas com esferas ausentes nas fileiras internas. Um exemplo é mostrado abaixo; é provável que este BGA não siga o mesmo cálculo de contagem de camadas usado para o BGA padrão mostrado acima.

Saiba mais neste artigo com Charlie Yap.

Quando o componente possui um espaçamento muito fino e não conseguimos encaixar trilhas entre os pads na pegada BGA, precisamos dobrar a quantidade de camadas necessárias. Quando muitos dos pinos são de alimentação e terra, a quantidade de camadas definitivamente diminuirá. Também é possível que um grande número de pacotes quad exija uma alta contagem de camadas. No extremo, estes podem ter algumas centenas de pinos, certamente não o número alto que você veria em um BGA de tamanho moderado.

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Estratégia de Roteamento 1: Sem Estratégia Alguma!

A estratégia de "sem estratégia" é de longe a mais simples e foca apenas em minimizar a contagem de camadas enquanto garante a solvabilidade. Pode começar selecionando o número necessário de camadas e roteando a partir do BGA usando uma abordagem de fan-out padrão, aplicando uma contagem de camadas fixa e tentando encaixar todas as trilhas, ou roteando livremente e adicionando novas camadas de sinal conforme necessário. Ela se aplica quando:

• Você não está preocupado em separar diferentes especificações de impedância em diferentes camadas
• Todas as interfaces não têm uma especificação de impedância, como SPI
• Todas as interfaces têm o mesmo requisito de impedância
• O número de interfaces com especificação de impedância é pequeno (talvez 1 ou 2)

Não é preciso dizer que rotear com essa estratégia pode não parecer muito organizado, mas a redução do foco na integridade do sinal em favor da solvabilidade pode ajudar a manter o número de camadas mais baixo do que em outras estratégias.

Esta interface paralela começa de um BGA (canto inferior direito) e se encaminha para um módulo LCD adicional (canto superior esquerdo).

Estratégia 2: Priorizando Camadas por Interface

Nesta estratégia, interfaces específicas controladas por impedância recebem suas próprias atribuições de camada e são primariamente roteadas nessas camadas. O fabricante então adota uma abordagem de impedância controlada e determina as propriedades elétricas que serão usadas quando construírem seu empilhamento. Esse tipo de estratégia pode ser usado quando há múltiplas interfaces de alta velocidade que requerem controle de impedância, e que podem ter diferentes valores de impedância alvo. Em alguns casos, com interfaces diferenciais, elas têm o mesmo alvo de impedância nominal, mas possivelmente um requisito de largura de banda diferente, o que exigirá que larguras de linha e espaçamentos diferentes sejam usados para as diferentes interfaces.

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Nas imagens de exemplo abaixo, mostro múltiplas interfaces digitais atribuídas a diferentes camadas em um empilhamento de 16 camadas. As interfaces envolvidas são:

• DDR4
• CSI-2
• 1 Gbps LVDS
• 10 Gbps Ethernet

E veja como estes são separados em diferentes camadas nas plotagens abaixo.

Roteamento de alta velocidade de múltiplas interfaces digitais em uma PCB com muitas camadas.

Você notará que há algum espaço vazio nessas camadas. É importante lembrar que, nesta estratégia de camadas, o objetivo principal é facilitar a especificação da impedância para o fabricante. Quando há apenas uma especificação de impedância por camada, é muito mais fácil para o fabricante produzir um empilhamento que atinja esses alvos para cada interface.

A desvantagem é que isso tende a resultar em um número maior de camadas, bem como espaço vazio em algumas camadas. Se necessário, você pode preencher parte do espaço vazio com terra adicional ou cobre para trilhas de alimentação. Prefiro usar este espaço para trilhas de alimentação em alguns projetos, pois isso pode me permitir eliminar completamente uma camada de alimentação. Além disso, você ainda pode usar essas camadas controladas por impedância para sinais de baixa velocidade ou de configuração, desde que eles não estejam agrupados muito próximos às suas trilhas de alta velocidade.

Estratégia 3: Camadas de Alta e Baixa Velocidade

Nesta estratégia, o número de interfaces que requerem impedância controlada é tipicamente baixo, ou todas as interfaces com controle de impedância necessitam da mesma impedância. Isso permite separar os sinais em camadas dedicadas de alta e baixa velocidade. Isso é semelhante ao que você poderia fazer em uma placa de seis camadas com quatro camadas de sinal, onde suas camadas de sinal de baixa velocidade poderiam ser colocadas adjacentes uma à outra.

Este tipo de estratégia é propício para roteamento ortogonal, especialmente se sinais de baixa velocidade estiverem presentes em camadas adjacentes. Por exemplo, veja o roteamento mostrado abaixo, que utiliza direções de roteamento ortogonais entre dois componentes em duas camadas diferentes.

Esses I/Os fazem parte de uma interface SDRAM e podem ser facilmente roteados para o chip de memória com uma abordagem de roteamento ortogonal.

O roteamento nesta estratégia terá menos desafios de integridade de sinal porque muitos dos sinais tendem a ser de baixa velocidade. Portanto, esta abordagem ajuda a manter uma contagem de camadas razoável.

Estratégia 4: Combinar Energia e Alguns Sinais

Outra estratégia de roteamento que frequentemente implemento em placas de alta contagem de camadas é combinar alguns sinais e trilhas de energia em uma única camada.

Um motivo comum para o aumento do número de camadas não é apenas devido a um grande número de sinais ou interfaces que requerem roteamento. A contagem de camadas também pode aumentar por causa de múltiplos trilhos de energia e fontes de alimentação. Um projetista iniciante pode acreditar que uma PCB requer um plano de energia dedicado para cada trilho de energia, mas isso criaria um grande número de camadas com mais cobre do que o necessário. Em vez disso, uma estratégia melhor é usar trilhos de energia desenhados como polígonos.

Em camadas onde os trilhos de energia são desenhados, é aceitável usar essas camadas para roteamento de sinais. Em particular, faz sentido rotear sinais de baixa velocidade ou sinais de configuração nessas camadas. Vejo muitos exemplos disso na série Revisão de Design em 1 Minuto, que parece algo como o roteamento de exemplo mostrado abaixo.

O roteamento em camadas de energia é apropriado desde que um espaçamento grande o suficiente seja mantido.

Essa abordagem pode ser usada dentro da Estratégia 2, pois permite que você utilize as camadas restantes que não são atribuídas a terra para sinais de baixa velocidade. Sinais de alta velocidade ainda podem ter suas próprias camadas sob a Estratégia 2, conforme necessário. Isso ajuda a manter a contagem de camadas sem ficar muito alta, eliminando a necessidade de planos de energia dedicados e camadas dedicadas para sinais de baixa velocidade.

Além disso, ainda é possível rotear trilhas com controle de impedância em camadas que contêm trilhos de alimentação. Tipicamente, o roteamento em uma camada com terra coplanar exige a aplicação de uma regra de distância mínima para evitar que a capacitância excessiva afete a impedância da trilha. O mesmo princípio se aplica ao rotear perto de trilhos de alimentação. Em vez de usar uma regra global de distância elétrica, é melhor criar uma regra específica para a rede e camada para impor essa distância. No Altium Designer, você pode configurar essa regra de distância usando uma consulta personalizada, utilizando as condições InNet (ou InNetClass) e InLayer.

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