Na maioria dos projectos, os engenheiros não mudam para uma PCB de 12 camadas simplesmente porque querem mais camadas de encaminhamento. A verdadeira razão é que, normalmente, a integridade do sinal, a estabilidade de energia, a complexidade da separação BGA ou o controlo EMI já atingiram o limite de uma placa de circuito impresso de 8 ou Empilhamento de 10 camadas.
Isto é especialmente comum em plataformas FPGA, sistemas de computação industrial, módulos de IA, hardware de telecomunicações e dispositivos incorporados de alta velocidade. Quando o encaminhamento DDR, os pares diferenciais, os planos de potência, a blindagem e as restrições térmicas começam a competir por espaço, as placas de camadas inferiores tornam-se cada vez mais difíceis de gerir.
Vemos isto frequentemente durante as revisões DFM. O esquema pode estar correto, mas a própria estrutura de empilhamento cria riscos de fabrico ou eléctricos mais tarde na produção.
Uma placa de circuito impresso de 12 camadas bem concebida não é apenas uma questão de adicionar camadas. Trata-se de criar uma estrutura eléctrica estável que possa suportar sinais de alta velocidade, manter caminhos de retorno limpos, reduzir a EMI e permanecer mecanicamente fiável após vários ciclos térmicos.
Para as empresas que desenvolvem placas multicamadas avançadas, os nossos principais Fabrico de PCB multicamada A página também abrange capacidades adicionais de empilhamento e fabrico.
Índice
Porque é que os engenheiros mudam para uma PCB de 12 camadas
Em ambientes de produção reais, a transição de 10 camadas para 12 camadas ocorre normalmente por três razões:
- O encaminhamento de BGA com elevado número de pinos fica congestionado
- As camadas de referência de alimentação e de terra já não são suficientes
- Aparecem problemas de integridade do sinal durante os ensaios
Muitos processadores e FPGAs modernos requerem planos de referência dedicados para um controlo estável da impedância. Se forçar todo o encaminhamento em menos camadas, obtém-se frequentemente caminhos de retorno divididos, demasiadas vias, diafonia e um comportamento de impedância instável.
Após uma análise minuciosa de vários projectos de redes e controladores industriais, tornou-se evidente que a principal preocupação não era a densidade de encaminhamento em si, mas sim a continuidade deficiente do plano de referência sob pares diferenciais de alta velocidade.
Quando as taxas de dados aumentam, o empilhamento torna-se parte do design elétrico - e não apenas da estrutura de fabrico.
Estratégia típica de empilhamento de PCB de 12 camadas
Não existe um empilhamento universal de 12 camadas. A estrutura correta depende muito de:
- Velocidade do sinal
- Densidade BGA
- Espessura da placa
- Objectivos de impedância
- Requisitos de distribuição de energia
- Objectivos de desempenho da IEM
Mas, na prática, os empilhamentos simétricos continuam a ser os preferidos porque reduzem o empeno durante a laminação e o refluxo.
Uma abordagem comum é:
LayerFunctionL1SignalL2GroundL3High-Speed SignalL4SignalL5PowerL6GroundL7GroundL8PowerL9SignalL10High-Speed SignalL11GroundL12Signal
Esta estrutura permite que as camadas de alta velocidade permaneçam na proximidade de planos de referência sólidos, mantendo assim uma distribuição de energia relativamente estável.
Em placas de 12 camadas mais espessas, os engenheiros também precisam de prestar atenção ao equilíbrio da resina e à distribuição do cobre. Uma densidade de cobre desigual entre camadas é uma das causas mais comuns de torção e empeno da placa após a montagem.
O controlo da impedância é normalmente o verdadeiro desafio
Muitos clientes partem do princípio de que o controlo da impedância se resume principalmente ao cálculo da largura do traço. Na prática, a consistência do empilhamento é frequentemente a parte mais difícil.
Por exemplo, alterar as combinações de pré-impregnados de 1080 para 2116 poderia afetar a impedância o suficiente para necessitar de ajustes na largura da linha.
Nos projectos de 12 camadas de alta velocidade, vários factores interagem simultaneamente:
- Rugosidade do cobre
- Efeito de trama de vidro
- Tolerância de espessura dieléctrica
- Compensação de gravura
- Fluxo de resina durante a laminação
- Continuidade do plano de referência
Geralmente, aconselhamos que os pares diferenciais de alta velocidade sejam mantidos entre referências de terra sólidas, em vez de serem encaminhados adjacentes a planos de potência divididos. Isto é particularmente relevante em placas multicamadas espessas, onde o controlo da descontinuidade do caminho de retorno pode tornar-se mais difícil.
Para aplicações PCIe, DDR ou SerDes, pode também ser necessário efetuar perfurações para reduzir os efeitos da via stub.
Isto torna-se mais importante quando as velocidades de sinal ultrapassam as frequências de controlo industrial tradicionais.
A conceção da Via começa a afetar o rendimento muito mais cedo do que o previsto
Uma coisa que muitos engenheiros subestimam nas placas de 12 camadas é a complexidade da estrutura.
Para muitos produtos industriais, uma estrutura de orifício passante padrão continua a ser a opção mais fiável e rentável. No entanto, quando são introduzidos BGAs de grandes dimensões, rapidamente se tornam necessárias vias cegas e vias enterradas.
Isto cria considerações de fabrico adicionais:
- Laminação sequencial
- Precisão de perfuração a laser
- Tolerância de registo
- Fiabilidade do enchimento de cobre
- Resistência da CAF
- Limitações do rácio de aspeto
Por exemplo, uma placa espessa de 12 camadas com pequenas dimensões de perfuração mecânica pode facilmente exceder os rácios de aspeto recomendados. Se for demasiado longe com a perfuração, as paredes dos furos e o revestimento não resistirão ao teste do tempo.
Em alguns projectos de telecomunicações e servidores, assistimos a problemas de fiabilidade causados não pela disposição em si, mas por dimensões da via que foram excessivamente optimizadas e levaram os limites do fabrico demasiado longe.
Se forem necessárias estruturas HDI, os nossos Fabrico de placas de circuito impresso HDI A página de capacidade explica opções de processo adicionais.
A seleção do material é mais importante nos painéis de 12 camadas
Nas placas de camadas inferiores, o FR4 normal é normalmente suficiente.
O comportamento do material torna-se muito mais notório nas placas de circuito impresso de 12 camadas, uma vez que a placa é submetida a vários ciclos de laminação e a uma maior tensão térmica durante a montagem.
Os materiais de Tg elevada são frequentemente preferidos para aplicações industriais e automóveis porque melhoram a estabilidade dimensional durante o ciclo térmico.
Quando a perda de inserção começa a afetar o desempenho do sinal, os materiais de baixa perda tornam-se importantes para os sistemas de alta velocidade.
As combinações comuns de materiais podem incluir:
- FR4 Tg170
- Série Megtron da Panasonic
- Laminados de baixa perda Isola
- Pilhas híbridas Rogers
A seleção do material também afecta diretamente:
- Estabilidade da impedância
- Expansão do eixo Z
- Resistência da CAF
- Risco de delaminação
- Qualidade da perfuração
Na produção real, a seleção da combinação incorrecta de pré-impregnados pode causar mais problemas do que a seleção do peso incorreto do cobre.
A estabilidade da laminação é um dos maiores riscos de fabrico
Uma placa de circuito impresso de 12 camadas não é fabricada da mesma forma que uma placa multicamadas simples.
Quanto mais camadas estiverem envolvidas, mais sensível se torna o processo:
- Fluxo de resina
- Parâmetros do ciclo de prensagem
- Alinhamento de camadas
- Expansão do material
- Tratamento de óxido da camada interna
- Equilíbrio do cobre
É por esta razão que os fabricantes experientes de PCB multicamadas dedicam um tempo considerável à análise da simetria do empilhamento antes do início da produção.
Um controlo deficiente da laminação pode conduzir a:
- Delaminação
- Formação de vazios
- Deformação excessiva
- Fissuras no barril
- Carência de resina
Mesmo pequenos defeitos de laminação em sectores de elevada fiabilidade, como o das telecomunicações e da eletrónica aeroespacial, podem eventualmente levar a falhas no terreno sob ciclos térmicos de longa duração.
A revisão DFM torna-se crítica em projectos de PCB de 12 camadas
Um dos problemas mais comuns com que nos deparamos são os desenhos eletricamente funcionais, mas difíceis de fabricar de forma consistente.
Alguns exemplos incluem:
- Distribuição extremamente desigual do cobre
- Densidade excessiva de vias em áreas BGA
- Anéis anulares demasiado finos
- Folga apertada entre a broca e o cobre
- Traços de impedância que atravessam planos divididos
- Vias empilhadas sem capacidade suficiente de processo de enchimento
Para projectos multicamadas complexos, deve ser efectuada uma revisão DFM antes da versão final do Gerber, e não depois de surgirem problemas de fabrico. Mesmo pequenas alterações à estratégia de empilhamento ou de encaminhamento podem aumentar significativamente o rendimento do fabrico e a fiabilidade a longo prazo.
O nosso Serviço de conceção de PCB trabalha frequentemente com os clientes durante esta fase para otimizar a capacidade de fabrico antes do início da produção.
Onde os PCB de 12 camadas são habitualmente utilizados
Atualmente, as placas de circuito impresso de 12 camadas são amplamente utilizadas em sistemas em que a estabilidade eléctrica e a densidade de encaminhamento são fundamentais.
As aplicações típicas incluem:
- Plataformas de desenvolvimento FPGA
- Controladores de automação industrial
- Hardware de computação de IA
- Infra-estruturas de telecomunicações
- Sistemas de imagiologia médica
- Eletrónica de radar para automóveis
- Plataformas de computação incorporadas
- Equipamento de rede de alta velocidade
Em comparação com as placas de camadas inferiores, uma estrutura de 12 camadas corretamente concebida oferece uma melhor supressão de EMI, planos de referência mais limpos e um comportamento de sinal mais previsível.
FAQ
R: A maioria das placas de circuito impresso de 12 camadas situa-se entre 1,6 mm e 3,2 mm, dependendo do peso do cobre, dos requisitos de impedância e da conceção da estrutura da via.
R: Não. Muitas placas de 12 camadas ainda utilizam estruturas de orifício passante padrão. A HDI torna-se necessária principalmente quando a densidade BGA ou as restrições de encaminhamento aumentam significativamente.
R: Na produção prática, conseguir a estabilidade da laminação e a consistência da impedância é normalmente mais difícil do que o encaminhamento.
R: Para muitas aplicações industriais, sim. No entanto, os sistemas de alta velocidade ou termicamente exigentes podem requerer uma Tg elevada ou materiais de baixa perda.
R: As principais razões para o aumento do custo são ciclos de laminação adicionais, tolerâncias de registo mais rigorosas, maior complexidade de perfuração, ensaios de impedância e margens de rendimento de fabrico mais baixas.