Progettazione e produzione di PCB impilati a 6 strati

I prodotti elettronici si evolvono rapidamente e circuiti stampati (PCB) si sono evoluti da semplici strutture a singolo o doppio strato a complesse schede multistrato con sei o più strati per soddisfare le crescenti esigenze di densità dei componenti e di interconnessione ad alta velocità.

I PCB a sei strati offrono agli ingegneri una maggiore flessibilità di routing, migliori capacità di separazione degli strati e soluzioni ottimizzate di suddivisione dei circuiti tra gli strati. Una configurazione ben progettata dello stackup del PCB a sei strati, il calcolo dello spessore, il processo di produzione e l'integrità del segnale sono passi fondamentali per migliorare le prestazioni e l'affidabilità del prodotto.

Configurazione della pila di PCB a 6 strati

I sei strati di rame conduttivo in un PCB multistrato devono essere disposti in una sequenza accuratamente progettata e separati da materiali dielettrici. Un ragionevole progetto di impilamento è la base per garantire l'integrità del segnale, l'integrità dell'alimentazione e la compatibilità elettromagnetica.

Sequenza standard dei livelli e assegnazione delle funzioni

Un tipico stackup di PCB a 6 strati adotta la seguente struttura a strati:

1. Strato 1 (strato superiore): Strato di montaggio dei componenti per dispositivi primari e instradamento parziale
2. Livello 2: Piano di riferimento (tipicamente strato di massa GND)
3. Livello 3: Strato interno di instradamento del segnale
4. Strato 4: Strato interno di instradamento del segnale o piano di potenza
5. Strato 5: Piano di riferimento (strato di potenza o di terra)
6. Strato 6 (strato inferiore): Strato di montaggio e instradamento dei componenti

Questa struttura a strati sfrutta appieno i vantaggi delle schede a 6 strati, fornendo piani di riferimento completi e percorsi di ritorno ottimizzati per i segnali ad alta velocità.

Confronto tra le tre principali soluzioni di impilamento

A seconda dei requisiti applicativi, i PCB a 6 strati presentano principalmente tre approcci di impilamento:

Soluzione 1: Layout simmetrico (priorità al livello di segnale)

Strato 1: segnale (superiore)
Strato 2: terra
Strato 3: segnale
Strato 4: alimentazione
Strato 5: segnale
Strato 6: terra (inferiore)

Caratteristiche:

• Struttura del piano di riferimento identica sopra e sotto gli strati intermedi
• Eccellenti prestazioni di integrità del segnale
• Ampiamente utilizzato in progetti misti digitali, analogici e RF
• Alta densità di routing adatta a progetti complessi

Soluzione 2: Layout asimmetrico (ottimizzato per la potenza)

Strato 1: Segnale (superiore)
Strato 2: Terra
Strato 3: Segnale
Strato 4: Alimentazione
Strato 5: Alimentazione
Strato 6: Terra (inferiore)

Caratteristiche:

• Consente di suddividere il piano di alimentazione in più regioni
• Un piano di massa discontinuo può influire sulla qualità del segnale
• Adatto per progetti che richiedono una distribuzione di potenza complessa
• Costo relativamente inferiore ma prestazioni EMC leggermente inferiori

Soluzione 3: Layout ibrido (priorità all'integrità del segnale)

Strato 1: segnale (superiore)
Strato 2: terra
Strato 3: segnale
Strato 4: terra
Strato 5: alimentazione
Strato 6: terra (inferiore)

Caratteristiche:

• Ogni strato di segnale ha un piano di riferimento adiacente
• Stretto accoppiamento tra gli strati di potenza e di terra
• Ambiente ottimale per la trasmissione del segnale ad alta velocità
• Sacrifica alcuni livelli di routing per migliorare le prestazioni di SI

Regole d'oro della progettazione di stackup

1. Adiacenza del livello di segnale ai piani di riferimento: Assicurarsi che ogni livello di segnale abbia almeno un piano di riferimento completo adiacente (GND o Power) per fornire percorsi di ritorno a bassa impedenza per i segnali ad alta velocità.
2. Principio di accoppiamento tra piano di potenza e piano di massa: Disporre gli strati di alimentazione e di terra su strati adiacenti (in genere con una distanza di 0,1-0,2 mm) per formare una capacità di disaccoppiamento naturale e ridurre il rumore di alimentazione.
3. Design simmetrico: Mantenere la simmetria di impilamento, ove possibile, per evitare che la scheda si deformi a causa di coefficienti di espansione termica non corrispondenti.
4. Protezione del livello di segnale critico: Instradare i segnali più sensibili ad alta velocità sugli strati interni (strati 3/4), utilizzando i piani esterni come schermatura naturale.

Suggerimento professionalePer i progetti ad alta velocità a livello di GHz, si raccomanda la soluzione 3. Pur sacrificando uno strato di routing, offre prestazioni ottimali in termini di integrità del segnale e di EMC.

Calcolo dello spessore del PCB a 6 strati e selezione del materiale

Lo spessore totale del PCB è un parametro che deve essere determinato fin dalle prime fasi di progettazione e che influisce direttamente sulla scelta dei connettori, sulla resistenza meccanica e sullo spessore del prodotto finale.

Spessore Fattori di composizione

Tre fattori principali determinano lo spessore totale del PCB a 6 strati:

• Spessore dello strato di rame:

• Strato esterno in foglio: tipicamente 1 oz (35 μm), 0,5 oz per applicazioni ad alta frequenza
• Foglio dello strato interno: 1ozo 0,5 oz (18 μm)
• Strati piani: consigliati 2 oz(70 μm)per una maggiore capacità di corrente

• Spessore dello strato dielettrico:

• Valori tipici: 8-14 mil(200-350 μm)/strato
• Materiali: FR4, materiali ad alta velocità (es. Rogers, Isola)
• I dielettrici più sottili aiutano a ridurre la diafonia tra gli strati

• Processo di laminazione:

• 2 cicli di pressatura: Prima si pressano i 3 strati inferiori, poi i 3 strati superiori.
• 3 cicli di pressatura:Pressatura di 2 strati ogni volta per un controllo più preciso dello spessore a un costo più elevato.

Esempio di spessore tipico di un pannello a 6 strati

Di seguito è riportata una ripartizione dello spessore per un PCB a 6 strati progettato simmetricamente:

Guida alla scelta del materiale dielettrico

I materiali dielettrici comuni per i PCB a 6 strati includono:

• FR4 standard:

• Il miglior rapporto costo/prestazioni
• Valore Tg 130-140 °C
• Adatto alla maggior parte dei prodotti di consumo

• FR4 ad alta velocità (ad esempio, Isola FR408, Panasonic Megtron6):

• Valori Dk/Df più stabili
• Adatto per segnali di livello GHz
• Costo superiore del 30-50% rispetto all'FR4 standard

• Materiali speciali (ad esempio, Rogers RO4350B):

• Perdita bassissima
• Per applicazioni a onde millimetriche
• 5-10 volte il costo dell'FR4

Considerazioni sulla selezione dei materiali:

• Frequenza del segnale: >5GHz raccomanda materiali ad alta velocità
• Bilancio:I materiali ad alta velocità aumentano significativamente il costo della distinta base
• Prestazioni termiche:I materiali ad alta Tg sono adatti agli ambienti ad alta temperatura
• Difficoltà di lavorazione:Alcuni materiali ad alta frequenza richiedono processi speciali.

Flusso del processo di produzione dei PCB a 6 strati

La produzione di PCB a 6 strati è un processo preciso e complesso che coinvolge diverse fasi critiche:

1. Preparazione della progettazione e dell'ingegneria

• Progettazione schematica completa e routing del layout
• Determinare la struttura di impilamento degli strati e le specifiche dei materiali
• Eseguire i controlli delle regole di progettazione (DRC) e l'analisi dell'integrità del segnale.
• Generazione di file Gerber, drill e netlist

Punto chiave: Comunicare tempestivamente la soluzione di stackup con il produttore per garantire l'allineamento del progetto con le capacità della fabbrica.

2.Trasferimento del modello dello strato interno

1. Pulizia del laminato rivestito in rame: Rimuovere gli ossidi superficiali e i contaminanti
2. Laminazione a seccoApplicare la pellicola fotosensibile asciutta sulla superficie del rame.
3. EsposizioneTrasferimento del modello di circuito su pellicola asciutta mediante laser o fotoplotter.
4. SviluppoSciogliere le aree di pellicola asciutta non esposte.
5. IncisioneRimuovere il rame non protetto
6. Spogliazione: Rimuovere la pellicola secca rimanente per formare i circuiti dello strato interno.

3.Processo di laminazione

1. Allineamento dei livelli: Allineare gli strati in sequenza con il preimpregnato tra di essi.
2. Pre-laminazione: Legame iniziale a bassa temperatura e pressione
3. Pressatura a caldo: Polimerizzazione completa adalta temperatura(180-200 °C) e pressione
4. Raffreddamento e modellazione: Controllo della velocità di raffreddamento per evitare la deformazione

4.Foratura e metallizzazione del foro

1. Perforazione meccanicaPraticare fori passanti con punte in metallo duro
2. Dismissione: Rimuovere i residui di resina dalle pareti dei fori
3. Deposizione di rame chimico: Depositare uno stratodi rame da 0,3-0,5 μm sulle pareti del foro.
4. Galvanotecnica: Ispessire il foro in rame a 25-30 μm

5.Trasferimento del modello dello strato esterno

Processo analogo a quello degli strati interni, ma con annotazioni:

• La pellicola esterna è più spessa (in genere 1oz).
• Requisiti più elevati per il controllo della larghezza delle linee e dello spazio
• Deve considerare l'apertura della maschera di saldatura e la finitura della superficie

6.Finitura superficiale e lavorazione finale

1. Applicazione della maschera di saldatura: Proteggere le aree non soggette a saldatura
2. Finitura superficialeLe opzioni includono HASL, ENIG, OSP, ecc.
3. SerigrafiaAggiungere i designatori e le marcature dei componenti
4. Lavorazione dei contorni: Fresatura dei bordi della tavola, incisione a V
5. Test elettrici: Test di apertura/cortocircuito e test di impedenza

Tecniche di ottimizzazione dell'integrità del segnale

La sfida principale nella progettazione di PCB a 6 strati consiste nel garantire l'integrità del segnale ad alta velocità.Di seguito sono riportate le principali strategie di ottimizzazione:

1. Progettazione del controllo dell'impedenza

• Utilizzare gli strumenti di risoluzione del campo (ad esempio, Polar SI9000) per calcolare con precisione:
• Impedenza della microstriscia (strato esterno)
• Impedenza della stripline (strato interno)
• Impedenza della coppia differenziale
• Valori tipici di impedenza:
• Single-ended: 50 Ω
• Differenziale: 100 Ω(USB, PCIe, ecc.)

Elementi essenziali del design:

• Mantenere una larghezza di traccia costante
• Evitarecurve ad angoloretto (utilizzare curvea 45°o curve)
• Abbinare le lunghezze delle coppie differenziali (tolleranza ±5 mil)

2.Ottimizzazione dell'integrità energetica

• Progettazione PDN a bassa impedenza:

• Utilizzare dielettrici sottili (3-4mil) per migliorare l'accoppiamento tra piano di potenza e piano di massa.
• Posizionamento corretto dei condensatori di disaccoppiamento (combinazione di valori grandi e piccoli)

• Tecniche di segmentazione del piano:

• Evitare che le tracce del segnale attraversino aree divise
• Assicurare un disaccoppiamento sufficiente per ogni dominio di potenza.
• Utilizzare la segmentazione a isola per la potenza analogica sensibile.

3.Strategie di progettazione EMC

• Schermatura interstrato:

• instradamento dei segnali ad alta velocità sugli strati interni (strati 3/4)
• Utilizzare piani di massa esterni per la schermatura

• Trattamento dei bordi:

• Posizionare i fori passanti ogni λ/20 di distanza
• Tenere i segnali sensibili lontani dai bordi della scheda (>3 mm)

• Layout di zonizzazione:

• Aree digitali/analogiche rigorosamente separate
• Isolare i circuiti ad alta frequenza

PCB a 6 strati vs. PCB a 4 strati: come scegliere?

Quando scegliere un PCB a 4 strati:

• Progetti di complessità medio-bassa
• Dimensioni della tavolapiù piccole (<150 cm²)
• Velocità di segnale <1Gbps
• Progetti sensibili ai costi
• Solo 2-3 domini di potenza principali

Quando passare al PCB a 6 strati:

• Esigenze di interconnessione ad alta densità (ad esempio, componenti BGA)
• Sistemi di alimentazione multipli (>3 domini di tensione)
• Segnali ad alta velocità (>2Gbps)
• Progetti a segnale misto (analogico+digitale+RF)
• Requisiti EMC rigorosi
• Migliori esigenze di gestione termica

Confronto dei costiLe schede a 6 strati costano in genere il 30-50% in più rispetto alle schede a 4 strati, ma un progetto di impilamento ottimizzato può ridurre le dimensioni della scheda per compensare parzialmente l'aumento dei costi.

Raccomandazioni di progettazione professionale e FAQ

Lista di controllo per la progettazione

1. La simmetria di stackup è ragionevole?
2. Ogni strato di segnale ha un piano di riferimento adiacente?
3. La distanza tra il piano di alimentazione e quello di terra è sufficientemente ridotta?
4. I segnali critici evitano l'attraversamento di aree divise?
5. Il calcolo dell'impedenza corrisponde al processo del produttore?
6. Sono state prese in considerazione le tolleranze di fabbricazione (±10%)?

Domande frequenti

Q1: Come scegliere i materiali dielettrici per i pannelli a 6 strati?

A1: Considerate questi fattori:

• Frequenza del segnale: L'alta frequenza richiede materiali a bassa Df
• Prestazioni termiche:Materiali ad alta Tg per ambienti ad alta temperatura
• Bilancio:I materiali ad alta velocità aumentano significativamente i costi
• Difficoltà di lavorazione:Alcuni materiali richiedono processi speciali

D2: Come si determina lo spessore dello strato dielettrico?

A2: Basare la decisione su:

• Requisiti di impedenza target
• Esigenze di resistenza alla tensione interstrato
• Capacità di processo del produttore
• Limitazioni dello spessore totale
• Requisiti di isolamento del segnale

D3: Quali sono gli errori più comuni nella progettazione di schede a 6 strati?

A3: Gli errori più comuni includono:

1. Piani di riferimento discontinui
2. Segnali ad alta velocità che attraversano aree divise
3. Distanza eccessiva tra piano di potenza e piano di massa
4. Trascurare la progettazione del percorso di ritorno
5. Calcoli di impedenza imprecisi

Professionale Produzione PCB Raccomandazione di servizio

Per i PCB a 6 o più strati, la scelta di un produttore esperto è fondamentale. Si consiglia di prendere in considerazione servizi con:

✅ Capacità professionale per schede multistrato(finoa 30 strati)
✅ Precisione di controllo dell'impedenza ±7%
✅ Diverse opzioni difinitura superficiale (ENIG, OSP, argento ad immersione, ecc.)
✅ Controllo DFM gratuito e assistenza tecnica
✅ Prototipazione rapida(in sole 48 ore)

Richiedete un preventivo immediato per la produzione di PCB a 6 strati: Invia i tuoi requisiti

La progettazione di PCB a 6 strati è un compito ingegneristico complesso che richiede una considerazione completa dell'integrità del segnale, dell'integrità della potenza, delle prestazioni EMC e dei costi di produzione. Adottando uno schema di impilamento ragionevole (come lo schema 3 raccomandato), un controllo preciso dell'impedenza e strategie di instradamento ottimizzate, è possibile sfruttare appieno i vantaggi prestazionali delle schede a 6 strati.