Nos actuais dispositivos electrónicos de alta velocidade, a conceção de laminados PCB tornou-se um fator crítico que determina o desempenho, a fiabilidade e o custo do produto. A conceção de um excelente laminado PCB representa uma arte de precisão no âmbito da engenharia eletrónica que integra a eletromagnetismo, a ciência dos materiais e a mecânica estrutural.
Porque é que o design de empilhamento de PCB é tão importante?
O triplo desafio no desenvolvimento de dispositivos electrónicos
Revolução da velocidade: As frequências de relógio das CPU modernas ultrapassaram os 5GHz. Quando as taxas de borda do sinal caem abaixo de 1ns, a placa de circuito impresso deixa de ser apenas um simples meio de interconexão e passa a ser um complexo sistema de linha de transmissão. Se os traços de sinal de alta velocidade forem demasiado longos ou encontrarem descontinuidades de impedância, ocorre reflexão e distorção do sinal, tal como um eco num vale que interfere com o som original.
Explosão de densidade: As placas-mãe dos smartphones integram mais de 1000 componentes, com espaçamentos entre pinos em embalagens BGA tão pequenos como 0,4 mm. Com esta densidade, o encaminhamento em camada única é como uma estação de metro em hora de ponta - simplesmente impossível de satisfazer os requisitos de ligação.
Controlo do ruído: O instante de comutação dos sinais digitais gera radiação electromagnética de alta frequência (EMI), que pode interferir não só com os seus próprios circuitos analógicos (por exemplo, módulos de áudio), mas também com dispositivos adjacentes. Os rigorosos requisitos de certificação EMC tornam o controlo do ruído uma necessidade de conceção.
A essência dos PCB multicamadas consiste em expandir o espaço de encaminhamento através do empilhamento vertical, ao mesmo tempo que se constroem barreiras de proteção electromagnética, à semelhança do desenvolvimento de uma cidade, desde a expansão plana até à construção tridimensional de viadutos, metropolitanos e arranha-céus.
Noções básicas de empilhamento de PCB: Analisando os três materiais principais
Núcleo
- Caraterísticas estruturais: Material de base rígido com cobre em ambos os lados, material isolante sólido no meio.
- Função: Fornece suporte mecânico e um ambiente dielétrico estável.
- Espessuras comuns: 0,1 mm, 0,2 mm, 0,3 mm, 0,4 mm, etc.
Pré-impregnado (PP)
- Composição: Tecido de fibra de vidro impregnado com resina parcialmente curada.
- Papel: Material de ligação durante a laminação, preenche os espaços entre as diferentes camadas do núcleo.
- Propriedades: Ligeiramente mais macio do que o núcleo, boa fluidez durante a prensagem.
Folha de cobre
- Função: Forma traços condutores para transmitir sinais e energia.
- Espessuras comuns: 1/2 onça (18μm), 1 onça (35μm), 2 onças (70μm).
- Tipos: Folha de cobre normal, folha com tratamento inverso (RTF), folha de baixo perfil (LP).
Esquema de um empilhamento típico de uma placa de 4 camadas:
Camada superior (sinal/componentes) - L1
PP (dielétrico de ligação)
Núcleo (dielétrico)
Camada interior 1 (alimentação/terra) - L2
Camada interior 2 (alimentação/terra) - L3
Núcleo (dielétrico)
PP (dielétrico de ligação)
Camada inferior (sinal/componentes) - L4
As cinco regras de ouro do design de empilhamento de PCB
1. Princípio da simetria: a base da estabilidade
- Simetria de cobre: O tipo e a espessura da folha de cobre devem ser idênticos para as camadas correspondentes.
- Simetria estrutural: Simetria de espelho da estrutura de camadas acima e abaixo do centro da placa.
- Vantagem: Reduz a tensão de laminação, evita o empeno da placa (empeno alvo < 0,1%).
- Exemplo: As camadas L2 e L5 de uma placa de 6 camadas devem utilizar o mesmo peso de cobre e uma densidade de encaminhamento semelhante.
2. Prioridade do plano de referência: Garantir a integridade do sinal
- Princípio da Adjacência: Cada camada de sinal de alta velocidade deve ser adjacente a um plano de referência sólido (alimentação ou terra).
- Preferência pelo plano de terra: Um plano de terra é geralmente uma melhor referência do que um plano de potência.
- Controlo do espaçamento: O espaçamento recomendado entre a camada de sinal e o plano de referência é ≤ 5 mils (0,127 mm).
3. Isolamento do sinal a alta velocidade: Controlo eletromagnético preciso
- Vantagem do stripline: Os sinais críticos de alta velocidade (por exemplo, relógios, pares diferenciais) devem ser encaminhados entre camadas internas, formando uma estrutura "sanduíche".
- Aplicação Microstrip: Os sinais não críticos ou de baixa frequência podem utilizar linhas de microfita de camada superficial.
- Evitar cruzar divisões: Proibir estritamente que os sinais de alta velocidade atravessem as divisões no plano de referência.
4. Conceção da integridade da energia: Fornecimento estável de energia
- Acoplamento fechado: O espaçamento entre a camada de potência e a camada de terra correspondente deve ser controlado dentro de 0,2 mm.
- Estratégia de dissociação: Colocar condensadores de desacoplamento perto dos pontos de entrada de energia e dos pinos de alimentação do CI.
- Divisão de planos: Os sistemas de energia com vários carris exigem uma divisão cuidadosa do plano para evitar interferências entre diferentes domínios de energia.
5. Controlo da impedância: Emparelhamento preciso para sinais de alta velocidade
- Cálculo exato: Utilizar ferramentas profissionais como o Polar Si9000 para o cálculo da impedância.
- Controlo da tolerância: Monofásico 50Ω ±10%, Diferencial 100Ω ±10%.
- Consideração de parâmetros: A largura do traço, a espessura do dielétrico, o peso do cobre e a constante dieléctrica afectam a impedância final.
Análise pormenorizada de esquemas típicos de empilhamento de PCB
Placa de 4 camadas: O ponto de equilíbrio entre custo e desempenho
Esquema recomendado: TOPO - GND - PWR - FUNDO
- Camada 1: Sinal/Componentes (Microstrip)
- Camada 2: Plano de terra sólido
- Camada 3: Plano de potência
- Camada 4: Sinal/Componentes (Microstrip)
Vantagens: Opção multicamadas de custo mais baixo, fornece planos de referência básicos.
Desvantagens: Canais de encaminhamento limitados, desempenho médio a alta velocidade.
Cenários aplicáveis: Eletrónica de consumo, placas de controlo industrial e outras aplicações de velocidade média-baixa.
Placa de 6 camadas: A escolha óptima entre custo e desempenho
Regime 1 (centrado no desempenho): TOPO - GND - SIG - PWR - GND - FUNDO
- Camada 1: Sinal/Componentes
- Camada 2: Plano de terra (Referências L1 e L3)
- Camada 3: Sinais de Alta Velocidade (Camada de Encaminhamento Óptima)
- Camada 4: Plano de potência
- Camada 5: Plano de terra (Referências L4 e L6)
- Camada 6: Sinal/Componentes
Vantagens: 3 camadas de encaminhamento dedicadas + 2 planos de terra, boa integridade do sinal.
Cenários aplicáveis: Interfaces de memória DDR3/4, Gigabit Ethernet e outras aplicações de alta velocidade.
Esquema recomendado: TOPO - GND - SIG1 - PWR - GND - SIG2 - GND - FUNDO
- Camada 1: Sinal/Componentes
- Camada 2: Plano de terra
- Camada 3: Sinais de alta velocidade (SIG1)
- Camada 4: Plano de potência
- Camada 5: Plano de terra
- Camada 6: Sinais de alta velocidade (SIG2)
- Camada 7: Plano de terra
- Camada 8: Sinal/Componentes
Vantagens: 4 camadas de encaminhamento + 3 planos de terra, proporciona um excelente desempenho EMC e integridade do sinal.
Cenários aplicáveis: Placas-mãe para servidores, equipamento de rede de alta velocidade e placas gráficas avançadas.
Estratégias avançadas de otimização e técnicas práticas
Seleção de materiais: Equilíbrio entre desempenho e custo
Padrão FR-4:
- Custo mais baixo, adequado para aplicações ≤ 1GHz.
- Constante dieléctrica εr ≈ 4,2-4,5, fator de dissipação tanδ ≈ 0,02.
Materiais de alta velocidade (por exemplo, Panasonic Megtron 6, Isola I-Speed):
- O custo é 2-5 vezes superior ao do FR-4.
- εr ≈ 3,5-3,7, tanδ ≈ 0,002-0,005.
- Adequado para 5G, servidores e outras aplicações de 10GHz+.
Substratos de núcleo metálico (por exemplo, alumínio):
- Condutividade térmica até 2-8 W/(m-K), 10-40 vezes superior à do FR-4.
- Adequado para LEDs de alta potência, módulos de potência e outros cenários termicamente sensíveis.
Técnicas de supressão de diafonia
Regra 3W: O espaçamento entre os traços de sinal de alta velocidade ≥ 3x a largura do traço, pode reduzir o acoplamento de campo por 70%.
Regra 20H: O plano de potência é inserido 20 vezes a espessura do dielétrico a partir do bordo, suprimindo os efeitos da radiação de franja.
Guardar vestígios: Colocar traços de proteção ligados à terra ao longo de linhas de sinal particularmente sensíveis.
Estratégias de gestão térmica
Vias térmicas: Conjunto de vias (por exemplo, φ0,3 mm) sob chips de alta potência para conduzir o calor para as camadas de cobre do lado oposto.
Seleção do peso do cobre: Utilize cobre de 2 oz ou mais espesso para percursos de alta corrente para reduzir o aquecimento e a queda de tensão.
Design de simetria térmica: Evitar a concentração de componentes de potência para evitar pontos quentes localizados.
Considerações sobre o processo de fabrico e princípios DFM
Pontos-chave da conceção para a manufacturabilidade (DFM)
Largura/espaçamento do traço:
- Processo padrão: ≥ 4mil/4mil
- Processo de linha fina: ≥ 3mil/3mil
- Processo HDI: ≥ 2mil/2mil
Via Design:
- Tamanho do orifício de passagem: ≥ 0,3 mm (padrão), ≥ 0,2 mm (microvia a laser)
- Tamanho da almofada: Diâmetro do orifício + 8mil (padrão), Diâmetro do orifício + 6mil (alta densidade)
Alinhamento de camadas:
- Tolerância de registo camada a camada: ±2-3mil
- O controlo da impedância deve ter em conta as variações de espessura devidas ao registo incorreto das camadas.
Estratégias de otimização de custos
Redução da contagem de camadas: Escolha o número mínimo de camadas que satisfaça os requisitos de desempenho. 4 camadas → 6 camadas aumenta o custo em 30-50%.
Otimização de materiais: Utilizar o FR-4 normal em áreas não críticas, reservar os materiais topo de gama apenas para as secções de alta velocidade.
Conceção da Panelização: Otimizar a disposição dos painéis para aumentar a utilização do material 85-90%.
Seleção do processo: Evitar processos especiais desnecessários, como via-in-pad, acabamentos de superfície especiais.
Antecedentes do projeto: Placa de comutação Gigabit Ethernet com memória DDR4 e vários canais SerDes.
Regime inicial: TOPO - SIG1 - GND - PWR - SIG2 - FUNDO
Problemas: Alinhamento grave entre camadas SIG1 e SIG2 adjacentes; ruído de potência que afecta o desempenho do SerDes.
Esquema optimizado: TOPO - GND - SIG1 - PWR - GND - FUNDO
Melhorias:
- Adicionado um plano de terra dedicado para fornecer referência à camada superior e ao SIG1.
- Mudança da camada SIG2 para o plano de terra, melhorando a eficácia da proteção.
- O estreito acoplamento potência-terra reduz a impedância da rede de distribuição de energia.
Resultados: Melhoria de 40% na integridade do sinal, aumento de 6dB na margem de teste EMI, aumento de 15% no rendimento da produção.
Resumo
A conceção do empilhamento de placas de circuito impresso é uma competência fundamental na engenharia eletrónica. Um excelente projeto de empilhamento pode melhorar significativamente o desempenho do produto sem aumentar os custos. Dominar o design simétrico, o planeamento do plano de referência, o controlo da impedância e os princípios de integridade do sinal - ao mesmo tempo que se selecionam as contagens de camadas e os materiais adequados com base em cenários de aplicação específicos - é uma capacidade essencial para todos os engenheiros de hardware.