el circuito impreso de la mayoría de los dispositivos que funciona de forma fiable a velocidades muy altas y la precisión suele ser Diseñado para tener Varias capas que gestionan la distribución de energía y las rutas de señales de alta velocidad. Las GPU GeForce RTX serie 30 de NVIDIA tienen placas con aproximadamente 20 capas para gestionar las diferentes funciones de la tarjeta gráfica. ¿Significa esto que cuantas más capas, mejor? El tablero es?
Recientemente, diversas industrias, como la electrónica de consumo, las telecomunicaciones y otras, han adoptado el uso de PCB multicapa (apilamiento de PCB), principalmente para eliminar el ruido, crear una versión más sofisticada de sus productos y mejorar la eficiencia general de una PCB. En 2023, el mercado de PCB multicapa alcanzó un valor aproximado de 88.1 millones de dólares estadounidenses. Se proyecta que crezca hasta alcanzar los 145.09 millones de dólares para 2032. En resumen, cualquier diseñador de PCB que desee seguir siendo relevante debe dominar las mejores prácticas de apilamiento de PCB. La expansión que observamos en la tecnología 5G y los vehículos eléctricos requerirá placas multicapa más sofisticadas en el futuro.
¿Qué es un apilamiento de PCB?
Apilado de PCB Se refiere a la disposición de cada capa en una placa de circuito impreso, centrándose principalmente en las propiedades eléctricas de cada capa y de toda la placa. En el diseño de PCB, se presta mucha atención al apilamiento, ya que es el principal determinante de la vulnerabilidad de la placa al ruido externo, la diafonía y la interferencia electromagnética. Se puede inferir que la eficiencia general de cualquier PCB no solo depende de la corrección del circuito; un apilamiento incorrecto puede arruinar un circuito perfectamente diseñado.
La imagen de abajo representa perfectamente una capa de PCB. apilarAquí tenemos una representación gráfica de una PCB de 4 capas con un grosor estimado de 1.6 mm. Cada capa se centra en una señal eléctrica diferente. Las capas 1 y 4 constituyen el plano de señal, la capa 2 es el plano de tierra (GND) y la capa 3 es el plano de potencia (PWR).
Importancia del diseño de apilado de PCB
Es cierto que el apilamiento a veces complica el proceso de fabricación y ensamblaje de PCB, lo que afecta el costo y la facilidad de fabricación y ensamblaje. ¿Por qué los diseñadores de PCB siguen apilando diferentes capas en un diseño de PCB cuando un diseño de circuito se puede representar fácilmente en una placa de una o dos caras? Para responder con precisión, tendremos que analizar el efecto de un apilamiento de PCB bien planificado en un diseño de PCB.
Gestión de la integridad de la señal: En un circuito típico donde se transfieren señales (especialmente de alta frecuencia y RF) de una parte de la placa a otra, el circuito es vulnerable a la reflexión, pérdida y diafonía de la señal si no se gestiona correctamente. El apilado de PCB ofrece al diseñador mayor flexibilidad y control para prevenir o reducir considerablemente estos posibles problemas si se implementa con cuidado. Una implementación cuidadosa en este contexto incluye la disposición estratégica de cada capa y el control de la impedancia de las pistas entre las pistas del circuito.
Control de interferencia electromagnética (EMI): La EMI se produce cuando el campo electromagnético generado en un circuito interfiere con otro, causando ruido u otros problemas en este. Una forma común de gestionar la EMI en un circuito es colocando capas de tierra adyacentes a una capa de señal. Esto implica que se debe coordinar PCB El apilamiento es esencial para la erradicación de EMI.
Gestión térmica: ¿De qué sirve alimentar una placa que se calienta sin control? La gestión térmica es crucial para diseñar una PCB fiable. En la mayoría de los circuitos de alta potencia y alta velocidad con calor excesivo, se puede mejorar significativamente la disipación del calor planificando cuidadosamente el apilamiento. Seleccionar los materiales adecuados (como el cobre para una conductividad térmica eficiente), el grosor de una capa y el uso calculado del plano de tierra contribuyen a una correcta dispersión del calor en la placa.
Tipos de apilamiento de PCB
El apilado de PCB se puede clasificar en diferentes tipos, principalmente según la aplicación y los requisitos de diseño. Cada diseño afecta de forma única el rendimiento, la flexibilidad, la disipación de calor y otras características de la PCB. Aquí tienes cuatro tipos comunes de PCB que debes conocer como diseñador o aspirante a diseñador de PCB.
multicapa Pila de PCBup: Las PCB multicapa tienen al menos tres capas de materiales conductores separadas por capas dieléctricas (aislantes). La señal interna, la alimentación o la tierra se intercalan entre los materiales dieléctricos, y el número total de capas varía entre 4 y más de 30. Sin embargo, el diseño se vuelve más complejo a medida que aumenta el número de capas.
Muchas placas electrónicas avanzadas, como placas base de ordenadores, placas para smartphones, dispositivos médicos y muchas más, son apilamientos multicapa. Su capacidad para gestionar interferencias y diafonía las hace ideales para diseños de alta velocidad como las SMPS (fuentes de alimentación conmutadas). Su complejidad justifica su capacidad para gestionar interferencias y diafonía.
HDI (interconexión de alta densidad) PCB Apilarup: Puedes identificar rápidamente un IDH PCB El apilamiento se basa en sus capas ultrafinas y cercanas. Presenta una mayor densidad de hilos y utiliza microvías con una relación de aspecto de 0.751, vías ciegas y enterradas, y trazas finas y ultrafinas.
Siempre que pienses en miniaturización, piensa en HDI PCB Apilado. Se utilizan principalmente cuando hay limitaciones de espacio o se requiere alta velocidad. Se encuentran en smartphones, wearables y otros dispositivos electrónicos compactos. HDI PCB Los apilamientos se construyen mediante laminación secuencial.
Flex y rígido-flexible PCB Apilarup: Flexible PCB montón-Están hechos de materiales flexibles (como la poliimida), lo que los hace flexibles sin romperse. De igual manera, los rígido-flexibles... PCB Los stackup tienen una combinación de capas hechas con materiales flexibles y rígidos, y están cuidadosamente diseñados para soportar tensiones cuando se doblan.
Se adaptan bien a formas únicas y resisten el movimiento sin romperse. Se utilizan en dispositivos médicos, la industria aeroespacial y otras aplicaciones que requieren adaptabilidad al movimiento y la vibración.
Núcleo metálico Apilamiento de PCB: Quizás haya visto alguna de estas placas en iluminación LED. Las PCB con núcleo metálico tienen capas metálicas, generalmente de aluminio o cobre, y son muy adecuadas para disipar el calor excesivo. Las PCB con núcleo metálico generalmente eliminan la necesidad de un disipador de calor adicional y evitan que los componentes se dañen por el calor. Se utilizan comúnmente en iluminación LED y otras aplicaciones de alta potencia.
Apilamiento de capas de PCB Consideración de diseño
El apilado de PCB debe lograr ciertos objetivos en el diseño de PCB, los cuales deben definirse y comprenderse claramente antes de comenzar el diseño. Comprender los objetivos y requisitos de diseño le ayudará a decidir el número óptimo de capas, el grosor de cada capa, la selección del material para cada apilado y otras consideraciones técnicas necesarias.
Al centrarse en el resultado del diseño, debe comprender la capacidad del fabricante y adaptar su diseño para que supere la verificación DFM (Diseño para el fabricante). El enfoque sistemático empleado para decidir los mejores tipos y propiedades de apilamiento de PCB para un diseño debe incluir, al menos, considerar todos los siguientes aspectos:
· Rendimiento EMC/EMI: La compatibilidad electromagnética y la interferencia electromagnética deben ser un factor importante a considerar en el apilado de PCB [la eliminación de EMI no se logrará mediante una disposición aleatoria de capas. Se debe procurar emparejar un plano de alimentación con un plano de tierra para suprimir la radiación de ondas electromagnéticas, y los planos de tierra deben colocarse junto a los planos de señal para proteger el resto del circuito del ruido].
· Distribución de poder: Al planificar el diseño de su PCB, comprender la distribución de potencia del circuito influirá significativamente en su plan de apilado. Una planificación adecuada evitará que el circuito se caliente innecesariamente, lo que provocaría caídas de tensión y pérdidas en el circuito.
· Integridad de la señal: El propósito del apilamiento de PCB se ve frustrado si la señal que viaja por el circuito experimenta distorsión, diafonía o retardo. En aplicaciones de alta frecuencia, las señales de alta frecuencia suelen aislarse y colocarse entre capas de tierra para protegerlas de interferencias. Se requiere una planificación intencional y cuidadosa de la disposición de cada capa para lograr una buena integridad de la señal.
Las propiedades generales de su placa, que incluyen el número de capas, el espaciado y la elección del material para el apilado de la PCB, son los principales determinantes de la eficiencia y funcionalidad de la PCB. Su diseño debe centrarse en obtener una placa optimizada con el mínimo de problemas.
Técnicas de apilamiento de PCB
Puedes decidir qué capa va primero, después y al final en tu diseño de PCB, y tu diseño seguirá pasando la prueba DFM. Con varias opciones disponibles, debes decidir cuál es la mejor para tu diseño. Aquí tienes algunos consejos que te guiarán en la elección de la configuración de tu PCB.
· Gestionar Integridad de la señal y EMI En su diseño, debe comprender que la energía fluye en el espacio dieléctrico entre la capa de cobre y la placa conductora, que es simplemente una guía de ondas. El acoplamiento estrecho entre la señal y la capa de tierra, así como entre la alimentación y la capa de tierra, evitará la propagación del campo.
· El acoplamiento de dos planos de señal provocará diafonía en el circuito.
Disminuir la distancia entre los planos de alimentación y tierra aumenta la capacitancia en la PCB y reduce la inductancia. Por lo tanto, elegir el material dieléctrico adecuado y reducir el espesor de la capa puede reducir la EMI en el diseño de una PCB.
· Las líneas de banda (es decir, un plano de señal o potencia intercalado con un plano de tierra) son mejores para contener campos en señales de mayor energía o mayor velocidad.
Pila de PCB Consideraciones de fabricación
Es importante asegurarse de que sus objetivos de diseño, enfoque y disposición se ajusten a las capacidades del fabricante. Si, por ejemplo, fabrica su PCB con la empresa XXX, debe verificar sus requisitos y ajustar su diseño a lo que se puede fabricar. Software como Altium Designer, KiCad y Eagle permiten a los usuarios configurar la configuración de DRC según los requisitos del fabricante. Si un fabricante de PCB puede producir un apilamiento de PCB de 16 capas como máximo, debe asegurarse de que su diseño no exceda los requisitos.
Para comprender mejor las diferentes técnicas utilizadas en el apilado de PCB, consideremos dos variantes del apilado de PCB de 4 capas. Una es [Señal, Preimpregnado, Tierra, Núcleo, PWR, Preimpregnado, Señal+PWR], una configuración típica que muchos consideran estándar. La otra es [Señal+PWR, Preimpregnado, Tierra, Núcleo, Tierra, Preimpregnado, Señal+PWR], que se considera una configuración mejor.
La primera configuración tiene la capa de señal superior y el plano de potencia emparejados con el plano de tierra, lo cual es ideal para garantizar una buena integridad de la señal. Sin embargo, la capa de señal inferior sigue estando directamente adyacente a la capa de potencia, lo que hace que el sistema sea susceptible al ruido. Esto justifica por qué no se considera una buena opción.
La segunda configuración tiene la alimentación y la señal enrutadas estratégicamente en el mismo plano, lo cual es aceptable. Tanto el plano de señal como el de alimentación están emparejados con un plano de tierra, lo que garantiza una buena integridad de la señal y reduce la interferencia electromagnética (EMI) en la placa.
Ejemplos de Pila de PCB
Hay varios ejemplos de apilamiento de PCB desde diferentes cantidades de capas hasta diferentes disposiciones; estos incluyen:
· Apilamiento de PCB de 4 capas
· Apilamiento de PCB de 6 capas
· Apilamiento de PCB de 8 capas
Conclusión
Si has leído este artículo hasta aquí, sabrás que el apilamiento de PCB no solo sirve para que los profesionales demuestren sus habilidades de diseño, sino también para quienes deseen diseñar placas con mayor eficiencia y rendimiento. Cada plano del apilamiento debe estar estratégicamente ubicado para resolver el problema de la EMI, optimizar la integridad de la señal o garantizar la eficiencia general del sistema. No tiene sentido tener un diseño complejo y costoso plagado de diafonía.
Tenga en cuenta todos los consejos y la información de este artículo al diseñar su próxima placa y, en poco tiempo, dominará el arte de diseñar PCB con mayor precisión.
