Diseño de PCB Stackup: Una guía completa desde lo básico hasta la optimización de señal de alta velocidad

 

En el diseño electrónico moderno, tarjeta de circuito impreso (Placa de circuito impreso) Stackup Design es uno de los factores clave que determinan el rendimiento del circuito, fiabilidad, y costo. Especialmente cuando el número de capas excede cuatro, El diseño de pilas no solo afecta la integridad de la señal, compatibilidad electromagnética (CEM), y la gestión térmica, pero también afecta directamente los costos de fabricación y la complejidad del proceso. Este artículo comenzará con conceptos fundamentales, profundizar en los principios centrales de Placa de circuito impreso diseño de pilas, selección de material, y estrategias de optimización de señal de alta velocidad, Ayudar a los ingenieros a tomar decisiones más informadas durante el proceso de diseño.

Fundamentos del diseño de PCB Stackup

¿Qué es PCB Stackup??

PCB Stackup se refiere al proceso de apilar múltiples capas de núcleos revestidos de cobre (Centro), preparar (Preparar, abreviado como PP), y lámina de cobre en una secuencia específica, que luego se laminan para formar un integrado placa de circuito multicapa estructura. El núcleo del diseño de pila radica en la asignación racional de las capas de señal, capas de alimentación, y capas de tierra para cumplir con el rendimiento eléctrico, resistencia mecánica, y requisitos de control de costos.

Para soltero o tablas de doble capa, El diseño de pila es relativamente simple, Por lo general, requiere solo la selección del espesor apropiado de la placa revestida de cobre y el peso del cobre. Sin embargo, Al diseñar tableros multicapa con cuatro o más capas, El diseño de pila se vuelve complejo y crítico. Por ejemplo, El diseño de apilamiento de una placa de 16 capas debe considerar la integridad de la señal, control de impedancia, EMC blindaje, gestión térmica, y otros factores.

Materiales clave en diseño de pila

• Núcleo cubierto de cobre (Centro): Compuesto de sustrato aislante (como la resina epoxi, fibra de vidrio) y lámina de cobre, Proporcionar soporte mecánico y aislamiento eléctrico.
• Preparar (Preparar): Hecho de tela de fibra de vidrio impregnada con resina epoxi, utilizado para la unión y aislamiento entre capas.
• Lámina de cobre: Utilizado para formar trazas conductivas, con espesores comunes de 0.5 oz (18μm), 1onz (35μm), y 2oz (70μm).

Principios centrales del diseño de PCB Stackup

Asignación de capas e integridad de la señal

Al diseñar PCB multicapa, El número de capas primero debe determinarse en función de la escala de circuito y los requisitos de EMC. Típicamente, capas de señal, capas de alimentación, y las capas de tierra deben distribuirse alternativamente para reducir la diafonía de la señal y la interferencia electromagnética. Por ejemplo, Para señales de alta velocidad, a “GND/SEÑAL/GND” Se recomienda la combinación de pila para minimizar el acoplamiento de la diafonía.

• Línea de strip: Adecuado para señales críticas de alta velocidad, Donde la línea de señal está intercalada entre dos planos terrestres, Proporcionando excelentes blancos.
• Microstrip: Adecuado para señales de alta velocidad no críticas, donde la línea de señal está en la capa externa, ofreciendo un enrutamiento flexible pero un escudo más pobre.

Control de impedancia

El control de la impedancia es uno de los aspectos centrales de Diseño de PCB de alta velocidad. La impedancia común de un solo extremo es de 50Ω, y la impedancia diferencial es de 100Ω. El desajuste de la impedancia puede causar la reflexión de la señal, distorsión, y radiación, Afectando la integridad de la señal. Los parámetros clave para el control de la impedancia incluyen:

• Trace ancho y espaciado: Factores primarios que afectan la impedancia.
• Constante dieléctrica: Los materiales con constantes dieléctricas bajas ayudan a reducir el retraso y la pérdida de la señal.
• Espesor de cobre: Las capas de señal interna generalmente usan un grosor de cobre de 0.5 oz para cumplir con los requisitos de grabado precisos.

Diseño de EMC

El objetivo del diseño de EMC es reducir la interferencia electromagnética. (EMI) y mejorar las capacidades anti-interferencia. Algunos principios básicos incluyen:

• Capas adyacentes de potencia y tierra: Utilice la capacitancia entre capas como un condensador de suavizado de potencia mientras protege las corrientes de radiación.
• Capas de enrutamiento adyacentes a capas o capas de tierra: Reducir la interferencia a través de la cancelación de flujo.
• Plano de tierra como una capa de escudo: Suprimir la interferencia de RF en modo común y reducir la impedancia de distribución de la potencia de alta frecuencia.

Estrategias de optimización para el diseño de apilamiento de PCB de alta velocidad

Selección de material

Los PCB de alta velocidad requieren materiales con baja pérdida tangente (df) y baja constante dieléctrica (Dk). Los materiales FR-4 comunes son adecuados para la mayoría de las aplicaciones, Pero para escenarios de alta velocidad, Se recomiendan materiales de alto rendimiento como la serie MEGTRON4/6 de Panasonic. Por ejemplo, Megtron6 ​​exhibe una pérdida de señal de solo 0.85 dB/pulgada a 28 Gbps, mientras que el FR-4 tiene una pérdida de hasta 2dB/pulgada.

Efecto de fibra de vidrio y rugosidad de lámina de cobre

• Efecto de fibra de vidrio: El estilo de tejido de diferentes paños de fibra de vidrio afecta las características de la señal. Para mitigar el efecto de fibra de vidrio, Elija tipos de fibra de vidrio con ventanas de resina minimizadas o use métodos de enrutamiento en zig-zag.
• Rugosidad de papel de cobre: En diseño de señal de alta velocidad, La rugosidad de la superficie de la lámina de cobre afecta la transmisión de la señal. Su impacto es mínimo por debajo de 5 GHz, pero se vuelve significativo por encima de los 10 GHz.

Gestión Térmica

Los PCB de alta velocidad a menudo vienen con alto consumo de energía, Hacer que la gestión térmica sea crucial. Algunas estrategias de optimización incluyen:

• Selección de materiales de conductividad térmica alta: Tales como sustratos a base de metal (aluminio o cobre).
• Diseño de almohadillas térmicas y vías: Mejorar la eficiencia de la conducción de calor.
• Aumento de aviones terrestres y áreas de vertido de cobre: Mejorar las capacidades de disipación de calor.

Aplicaciones prácticas del diseño de pilas de PCB

16-Diseño de apilamiento de placa de capa

Tomar un tablero de 16 capas como ejemplo, Una estructura de apilamiento típica es la siguiente:

1. Capa superior (Capa de señal)
2. Capa de tierra
3. Capa de señal
4. Capa de potencia
5. Capa de señal
6. Capa de tierra
7. Capa de señal
8. Capa de núcleo
9. Capa de señal
10. Capa de tierra
11. Capa de señal
12. Capa de potencia
13. Capa de señal
14. Capa de tierra
15. Capa de señal
16. Capa inferior (Capa de señal)

Esta estructura reduce efectivamente la diafonía y la interferencia electromagnética al distribuir alternativamente las capas de señal y el suelo mientras cumple con los requisitos de control de impedancia de las señales de alta velocidad..

A través del diseño de la estructura

En PCB HDI, Los vías ciegos y los vías enterrados se usan ampliamente para optimizar el espacio de enrutamiento. Sin embargo, Estas a través de estructuras aumentan la dificultad y el costo de la fabricación. Por lo tanto, a través de las estructuras debe simplificarse durante el diseño, como priorizar las vías de los agujeros (PTH).

Conclusión

El diseño de PCB Stackup es una tarea compleja y crítica que involucra la selección de materiales, asignación de capas, control de impedancia, Diseño CEM, y gestión térmica. A través del diseño de pila racional, El rendimiento y la confiabilidad del circuito se pueden mejorar mientras controlan efectivamente los costos. Para un diseño de PCB de alta velocidad, Selección de materiales de baja pérdida, Optimización de los efectos de fibra de vidrio y la rugosidad de la lámina de cobre, y el fortalecimiento de la gestión térmica es clave para garantizar la integridad y la estabilidad de la señal.

Ya sea que sea un principiante o un ingeniero experimentado, Dominar los principios básicos y las estrategias de optimización del diseño de pilas de PCB sentará una base sólida para el diseño exitoso de productos electrónicos.