Noções Básicas sobre Empilhamento de PCB

Em comparação com a construção de uma PCB, o empilhamento está mais preocupado com o tipo elétrico de cada camada. As espessuras dos materiais ou quais dielétricos são usados são de menos importância do que quais camadas são dedicadas a quê, como camadas de sinal (SIG), camadas de terra (GND) ou camadas de alimentação (PWR).

As camadas de sinal contêm predominantemente trilhas que carregam sinal (às vezes com alimentação roteada ou preenchimentos de cobre), enquanto as camadas de alimentação e terra são tipicamente preenchimentos sólidos de cobre por toda a camada. As camadas de terra são usadas para referência das camadas de sinal e seus caminhos de retorno, e uma camada de alimentação é ou um plano de alimentação contínuo e sólido de uma certa voltagem ou várias ilhas ou preenchimentos de cobre de diferentes níveis de voltagem.

Antes de rotear uma PCB, queremos determinar nosso empilhamento, que depende do número de camadas que temos disponíveis. Então, queremos passar pelas camadas uma a uma, atribuindo terra, alimentação ou sinais a camadas individuais.

Combinações também são possíveis, claro—podemos misturar alimentação e terra, sinal e terra ou sinal e alimentação.

Camada de Terra

Um dos tipos de camada mais importantes é a camada de terra. Esse tipo de camada é usado predominantemente como um plano ou camada de referência para caminhos de retorno de sinal (e energia). Para cada caminho de ida, precisamos de um caminho de volta para completar o circuito. 

Camada de Energia

Uma camada de energia é usada para distribuição de energia. Tenha em mente que para sistemas de baixa velocidade e baixa largura de banda isso não é totalmente crítico, e você pode rotear sua energia com trilhas nas camadas de sinal. No entanto, planos e camadas de energia tornam-se cada vez mais importantes em termos de entrega de energia para circuitos de alta velocidade. Além disso, se acoplado com uma camada de terra em um plano adjacente e bem espaçado, estes formam um tipo de capacitor de placas paralelas.

Camada de Sinal

Por último, temos nossa camada de sinal onde vamos rotear nossas trilhas, formando efetivamente nosso caminho de sinal de ida. Como visto antes, podemos usar uma camada de terra ou em certos casos até uma camada de energia como referência para nosso caminho de volta.

Caminhos de Retorno e Referências

Agora, a questão é, como atribuímos tipos de camada em uma PCB de maneira sensata? Temos certos objetivos para o desempenho EMI, integridade de sinal e integridade de energia, e queremos uma abordagem sistemática para decidir o empilhamento. Não queremos simplesmente atribuir diferentes tipos de camada de forma arbitrária.

Existem algumas regras de ouro. Primeiramente, para sinais AC na região de alguns kHz, o caminho de retorno não é o caminho mais curto, mas sim o caminho diretamente abaixo do traço (caminho à frente). Esta é a parte com a menor impedância. Por exemplo, para um traço em uma camada de sinal superior e um plano de terra diretamente abaixo na camada dois, o caminho à frente está na camada de sinal, e o caminho de retorno está diretamente abaixo desse traço no plano de terra abaixo.

Outra coisa a considerar é que a energia do sinal flui no espaço dielétrico entre o cobre (traço e plano). O cobre, portanto, é simplesmente um guia de ondas. Para uma boa integridade de sinal e desempenho EMI, precisamos levar em conta tanto o caminho à frente quanto o de retorno, onde a energia do sinal está fluindo e como ela está vinculada entre os caminhos à frente e de retorno.

Em essência, é desejado um acoplamento próximo entre planos de sinal e terra e entre planos de potência e terra para evitar que os campos se espalhem. Nosso principal objetivo é evitar a propagação dos campos, pois campos que se espalham levam ao acoplamento de sinal para sinal, o que resulta em diafonia. Campos que se espalham também significam alguma forma de radiação, o que leva a problemas de EMI.

Atribuição de Camadas e Pares de Camadas

Como evitamos que os campos se espalhem e como contemos esses campos?

A principal coisa que nós, como engenheiros de design de PCB, precisamos ter em mente, é que todo caminho de sinal ou potência para frente precisa de uma referência acoplada de perto. Além disso, para sinais de alta velocidade ou de maior energia, faz sentido também usar trilhas em stripline em vez de microstrip. Stripline significa que temos uma trilha de sinal entre dois planos de terra, proporcionando um bom acoplamento de campo do sinal para ambos os planos de terra em cada lado.

Como mencionado anteriormente, outro ponto a considerar são os planos de potência e terra adjacentes. Isso serve para melhorar a entrega de potência em altas frequências onde capacitores SMD (mesmo os de pequenos pacotes) começam a parecer indutivos. 

Em essência, ao projetar um empilhamento, siga a regra simples de ter no mínimo uma camada de referência de terra adjacente a qualquer camada de sinal ou de potência, e você deve estar bastante seguro para começar.

Empilhamentos Multicamadas Recomendados

Finalmente, aqui estão alguns dos meus empilhamentos multicamadas favoritos que seguem as diretrizes que anteriormente delineamos.

Quatro camadas (potência roteada): SIG – GND – GND – SIG

Seis camadas: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG

Oito camadas: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG – GND – SIG

Vídeo de Rick Hartley

Por último, não posso recomendar o suficiente um vídeo de Rick Hartley sobre como alcançar um aterramento adequado e escolher seus empilhamentos de camadas corretamente. No vídeo, Rick fala sobre muitos dos princípios delineados neste artigo com muito mais detalhes. Confira o vídeo no canal do YouTube da Altium.