Conceção e fabrico de empilhamento de PCB de 6 camadas

Os produtos electrónicos estão a evoluir rapidamente e placas de circuito impresso (PCB) evoluíram de estruturas simples de camada única ou dupla para placas multicamadas complexas com seis ou mais camadas, a fim de satisfazer a procura crescente de densidade de componentes e de interligações de alta velocidade.

As PCB de seis camadas oferecem aos engenheiros uma maior flexibilidade de encaminhamento, melhores capacidades de separação de camadas e soluções optimizadas de divisão de circuitos entre camadas. Uma configuração de empilhamento de PCB de seis camadas bem concebida, o cálculo da espessura, o processo de fabrico e a integridade do sinal são passos fundamentais para melhorar o desempenho e a fiabilidade do produto.

Configuração de pilha de PCB de 6 camadas

As seis camadas condutoras de cobre numa PCB multicamada devem ser dispostos numa sequência cuidadosamente concebida e separados por materiais dieléctricos. Um design de empilhamento razoável é a base para garantir a integridade do sinal, a integridade da energia e a compatibilidade electromagnética.

Sequência de camadas padrão e atribuição funcional

Um empilhamento típico de PCB de 6 camadas adopta a seguinte estrutura de camadas:

1. Camada 1 (Camada superior): Camada de montagem de componentes para dispositivos primários e encaminhamento parcial
2. Camada 2: Plano de referência (normalmente camada de terra GND)
3. Camada 3: Camada interior de encaminhamento do sinal
4. Camada 4: Camada interior de encaminhamento do sinal ou plano de potência
5. Camada 5: Plano de referência (camada de potência ou de terra)
6. Camada 6 (Camada inferior): Camada de montagem e encaminhamento de componentes

Esta estrutura em camadas utiliza plenamente as vantagens das placas de 6 camadas, fornecendo planos de referência completos e caminhos de retorno optimizados para sinais de alta velocidade.

Comparação das três principais soluções de empilhamento

Dependendo dos requisitos da aplicação, os PCB de 6 camadas apresentam principalmente três abordagens de empilhamento:

Solução 1: Disposição simétrica (prioridade da camada de sinal)

Camada 1: Sinal (superior)
Camada 2: Terra
Camada 3: Sinal
Camada 4: Energia
Camada 5: Sinal
Camada 6: Terra (inferior)

Caraterísticas:

• Estrutura idêntica do plano de referência acima e abaixo das camadas intermédias
• Excelente desempenho de integridade de sinal
• Amplamente utilizado em projectos digitais, analógicos e mistos de RF
• Elevada densidade de encaminhamento adequada para projectos complexos

Solução 2: Disposição assimétrica (optimizada em termos de potência)

Camada 1: Sinal (superior)
Camada 2: Terra
Camada 3: Sinal
Camada 4: Energia
Camada 5: Energia
Camada 6: Terra (inferior)

Caraterísticas:

• Permite dividir o plano de potência em várias regiões
• Uma placa de terra descontínua pode afetar a qualidade do sinal
• Adequado para projectos que requerem uma distribuição de energia complexa
• Custo relativamente mais baixo, mas desempenho EMC ligeiramente inferior

Solução 3: Disposição híbrida (prioridade à integridade do sinal)

Camada 1: Sinal (superior)
Camada 2: Terra
Camada 3: Sinal
Camada 4: Terra
Camada 5: Energia
Camada 6: Terra (inferior)

Caraterísticas:

• Cada camada de sinal tem um plano de referência adjacente
• Acoplamento estreito entre as camadas de potência e de terra
• Ambiente ótimo de transmissão de sinais de alta velocidade
• Sacrifica algumas camadas de encaminhamento para um melhor desempenho do SI

Regras de ouro do design de empilhamento

1. Adjacência da camada de sinal aos planos de referência: Assegurar que cada camada de sinal tem pelo menos um plano de referência completo adjacente (GND ou Potência) para fornecer caminhos de retorno de baixa impedância para sinais de alta velocidade.
2. Princípio de emparelhamento do plano de potência-terra: Disponha as camadas de potência e de terra em camadas adjacentes (normalmente com um espaçamento de 0,1-0,2 mm) para formar uma capacidade de desacoplamento natural e reduzir o ruído de potência.
3. Design simétrico: Manter a simetria do empilhamento sempre que possível para evitar a deformação da placa devido a coeficientes de expansão térmica não correspondentes.
4. Proteção da camada de sinais críticos: Encaminhar os sinais de alta velocidade mais sensíveis nas camadas interiores (camadas 3/4), utilizando os planos exteriores como proteção natural.

Dica profissionalPara projectos de alta velocidade ao nível dos GHz, recomenda-se o empilhamento da Solução 3. Embora sacrifique uma camada de roteamento, oferece integridade de sinal e desempenho EMC ideais.

Cálculo da espessura de PCB de 6 camadas e seleção de materiais

A espessura total da placa de circuito impresso é um parâmetro que tem de ser determinado na fase inicial do projeto, afectando diretamente a seleção dos conectores, a resistência mecânica e a espessura do produto final.

Espessura Factores de composição

Três factores principais determinam a espessura total da placa de circuito impresso de 6 camadas:

• Espessura da camada de cobre:

• Outer layer foil: Typically 1oz (35μm), 0.5oz for high-frequency applications
• Inner layer foil: 1oz or 0.5oz (18μm)
• Plane layers: Recommended 2oz (70μm) for higher current capacity

• Espessura da camada dieléctrica:

• Typical values: 8-14mil (200-350μm)/layer
• Materiais: FR4, materiais de alta velocidade (por exemplo, Rogers, Isola)
• Os dieléctricos mais finos ajudam a reduzir a diafonia entre camadas

• Processo de laminação:

• 2 ciclos de prensagem: Primeiro, prensar as 3 camadas inferiores, depois as 3 camadas superiores
• 3 ciclos de prensagem:Prensagem de 2 camadas de cada vez para um controlo mais preciso da espessura a um custo mais elevado

Exemplo típico de espessura de placa de 6 camadas

Segue-se uma repartição da espessura de uma placa de circuito impresso de 6 camadas concebida simetricamente:

Guia de seleção de material dielétrico

Os materiais dieléctricos comuns para PCB de 6 camadas incluem

• Padrão FR4:

• Melhor relação custo/desempenho
• Tg value 130-140℃
• Adequado para a maioria dos produtos de consumo

• FR4 de alta velocidade (por exemplo, Isola FR408, Panasonic Megtron6):

• Valores Dk/Df mais estáveis
• Adequado para sinais de nível GHz
• Custo 30-50% mais elevado do que o FR4 normal

• Materiais especiais (por exemplo, Rogers RO4350B):

• Perda ultra-baixa
• Para aplicações de ondas milimétricas
• 5-10x o custo do FR4

Considerações sobre a seleção de materiais:

• Frequência do sinal: >5GHz recomenda materiais de alta velocidade
• Orçamento:Os materiais de alta velocidade aumentam significativamente o custo da lista técnica
• Desempenho térmico:Os materiais de Tg elevada adequam-se a ambientes de alta temperatura
• Dificuldade de processamento:Alguns materiais de alta frequência requerem processos especiais

Fluxo do processo de fabrico de PCB de 6 camadas

O fabrico de PCB de 6 camadas é um processo preciso e complexo que envolve várias etapas críticas:

1. Preparação do projeto e da engenharia

• Conceção esquemática completa e encaminhamento de layout
• Determinar a estrutura de empilhamento de camadas e as especificações de materiais
• Efetuar verificações das regras de conceção (DRC) e análise da integridade do sinal
• Gerar ficheiros Gerber, drill e netlist

Ponto-chave: Comunicar a solução de empilhamento com o fabricante numa fase inicial para garantir que o projeto está em conformidade com as capacidades da fábrica.

2.Transferência do padrão da camada interna

1. Limpeza de laminados revestidos a cobre: Remover os óxidos e os contaminantes da superfície
2. Laminação de película secaAplicar uma película fotossensível seca na superfície do cobre
3. ExposiçãoTransferir o padrão do circuito para uma película seca utilizando um laser ou uma máquina fotográfica
4. DesenvolvimentoDissolver as zonas não expostas da película seca
5. GravuraRemover o cobre desprotegido
6. Decapagem: Remover a película seca restante para formar os circuitos da camada interior

3.Processo de laminação

1. Alinhamento de camadas: Alinhar as camadas em sequência com o pré-impregnado no meio
2. Pré-laminação: Ligação inicial a baixa temperatura e pressão
3. Prensagem a quente: Complete curing at high temperature (180-200℃) and pressure
4. Arrefecimento e modelação: Controlo da velocidade de arrefecimento para evitar deformações

4.Perfuração e metalização de furos

1. Perfuração mecânicaPerfurar orifícios de passagem com brocas de metal duro
2. Dessalinização: Remover os resíduos de resina das paredes dos orifícios
3. Deposição de cobre sem eletrólise: Deposit a 0.3-0.5μm copper layer on the hole walls
4. Galvanoplastia: Thicken the hole copper to 25-30μm

5.Transferência do padrão da camada exterior

Processo semelhante ao das camadas interiores, mas com a ressalva:

• A folha de alumínio da camada exterior é mais espessa (normalmente 1oz)
• Requisitos mais elevados para o controlo da largura da linha/espaço
• Deve ter em conta a abertura da máscara de soldadura e o acabamento da superfície

6.Acabamento da superfície e processamento final

1. Aplicação da máscara de solda: Proteger as áreas não soldadas
2. Acabamento da superfícieAs opções incluem HASL, ENIG, OSP, etc.
3. Impressão serigráficaAdicionar designadores e marcações de componentes
4. Maquinação de contornos: Fresagem dos bordos da placa, corte em V
5. Ensaios eléctricos: Teste de abertura/curto-circuito e teste de impedância

Técnicas de otimização da integridade do sinal

O principal desafio na conceção de PCB de 6 camadas consiste em garantir a integridade do sinal de alta velocidade.Seguem-se as principais estratégias de otimização:

1. Conceção do controlo da impedância

• Utilizar ferramentas de cálculo de campo (por exemplo, Polar SI9000) para calcular com exatidão:
• Impedância de microfita (camada exterior)
• Impedância do stripline (camada interna)
• Impedância do par diferencial
• Valores típicos de impedância:
• Single-ended: 50Ω
• Differential: 100Ω (USB, PCIe, etc.)

Fundamentos de design:

• Manter uma largura de traço consistente
• Avoid right-angle turns (use 45° or curves)
• Match differential pair lengths (±5mil tolerance)

2.Otimização da integridade energética

• Conceção de PDN de baixa impedância:

• Utilizar dieléctricos finos (3-4mil) para melhorar o acoplamento entre o plano de potência e o plano de terra
• Colocar corretamente os condensadores de desacoplamento (combinação de valores grandes e pequenos)

• Técnicas de segmentação de planos:

• Evitar que os traços dos sinais atravessem zonas de separação
• Assegurar um desacoplamento suficiente para cada domínio de potência
• Utilize a segmentação "em ilha" para energia analógica sensível

3.Estratégias de conceção EMC

• Blindagem entre camadas:

• Encaminhar sinais de alta velocidade nas camadas interiores (camadas 3/4)
• Utilizar planos de terra exteriores para blindagem

• Tratamento de bordos:

• Place ground vias every λ/20 spacing
• Manter os sinais sensíveis afastados dos bordos da placa (>3mm)

• Planta de zoneamento:

• Áreas digitais/analógicas rigorosamente separadas
• Isolar circuitos de alta frequência

PCB de 6 camadas vs PCB de 4 camadas: Como escolher?

Quando escolher um PCB de 4 camadas:

• Projectos de complexidade média-baixa
• Smaller board size (<150cm²)
• Taxas de sinal <1Gbps
• Projectos sensíveis aos custos
• Apenas 2-3 domínios principais de energia

Quando atualizar para PCB de 6 camadas:

• Necessidades de interconexão de alta densidade (por exemplo, componentes BGA)
• Sistemas de energia múltiplos (>3 domínios de tensão)
• Sinais de alta velocidade (>2Gbps)
• Projectos de sinal misto (analógico+digital+RF)
• Requisitos EMC rigorosos
• Necessidades de uma melhor gestão térmica

Comparação de custosAs placas de 6 camadas custam normalmente 30-50% mais do que as placas de 4 camadas, mas um design de empilhamento optimizado pode reduzir o tamanho da placa para compensar parcialmente o aumento do custo.

Recomendações de design profissional e FAQ

Lista de controlo da conceção

1. A simetria de empilhamento é razoável?
2. Cada camada de sinal tem um plano de referência adjacente?
3. O espaçamento entre o plano de potência e o plano de terra é suficientemente pequeno?
4. Os sinais críticos evitam atravessar zonas divididas?
5. O cálculo da impedância corresponde ao processo do fabricante?
6. Have manufacturing tolerances (±10%) been considered?

Perguntas mais frequentes

Q1: Como escolher materiais dieléctricos para placas de 6 camadas?

R1: Considerar estes factores:

• Frequência do sinal: Uma frequência elevada requer materiais com Df baixo
• Desempenho térmico:Materiais de alta Tg para ambientes de alta temperatura
• Orçamento:Os materiais de alta velocidade aumentam significativamente o custo
• Dificuldade de processamento:Alguns materiais requerem processos especiais

Q2: Como determinar a espessura da camada dieléctrica?

A2: Basear a decisão em:

• Requisitos de impedância alvo
• Necessidades de resistência à tensão entre camadas
• Capacidades de processo do fabricante
• Limitações da espessura total
• Requisitos de isolamento do sinal

Q3: Quais são os erros mais comuns na conceção de placas de 6 camadas?

R3: Os erros mais comuns incluem:

1. Planos de referência descontínuos
2. Sinais de alta velocidade que atravessam zonas de separação
3. Espaçamento excessivo entre o plano de potência e o plano de terra
4. Descurar a conceção do caminho de retorno
5. Cálculos de impedância incorrectos

Profissional Fabrico de placas de circuito impresso Recomendação de serviço

Para PCBs de 6 ou mais camadas, a escolha de um fabricante experiente é crucial. Recomendamos que considere serviços com:

✅ Professional multilayer board capability (up to 30 layers)
✅ ±7% impedance control accuracy
✅ Multiple surface finish options (ENIG, OSP, Immersion Silver, etc.)
✅ Free DFM check and engineering support
✅ Quick-turn prototyping (as fast as 48 hours)

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A conceção de placas de circuito impresso de 6 camadas é uma tarefa de engenharia complexa que exige uma consideração abrangente da integridade do sinal, da integridade da potência, do desempenho EMC e dos custos de fabrico. Ao adotar um esquema de empilhamento razoável (como o esquema recomendado 3), um controlo preciso da impedância e estratégias de encaminhamento optimizadas, as vantagens de desempenho das placas de 6 camadas podem ser plenamente realizadas.