Projeto de estrutura de PCB de 10 camadas para impedância e planos.

Uma estrutura de dez camadas é uma arquitetura elétrica e de fabricação, não uma lista de camadas de cobre separadas por espessuras nominais de pré-impregnado. Ela determina quais sinais têm referências contínuas, quanta capacidade de roteamento está disponível, onde a energia é distribuída, qual geometria de trilha é fabricável e como o painel se comporta durante a laminação. Como dez camadas de cobre criam nove lacunas dielétricas, uma mudança aparentemente pequena em uma lacuna pode alterar a impedância, a espessura total e a simetria.

Os exemplos abaixo são pontos de partida para o projeto, e não configurações finais para a fabricação. As construções finais do núcleo e do pré-impregnado, as espessuras prensadas, as folhas de cobre e as geometrias controladas devem ser confirmadas pelo fabricante. Utilize esta página em conjunto com o guia de materiais e a especificação de impedância.

Escolha uma arquitetura de camadas antes de escolher a espessura do dielétrico.

Comece classificando o projeto: número de canais de roteamento de alta velocidade, planos de alimentação necessários, densidade de escape de BGA, seções analógicas ou de RF sensíveis, estrutura de vias passantes ou HDI, espessura final e restrições mecânicas. O objetivo não é maximizar as camadas rotuladas como "sinal". O objetivo é fornecer a cada rota crítica uma referência utilizável, manter os caminhos de retorno contínuos e preservar área suficiente do plano para distribuição de energia.

A direção do roteamento é uma decisão secundária. Atribuir camadas “horizontais” e “verticais” não corrige uma sobreposição de sinais com camadas adjacentes de alta velocidade e sem plano de referência. Resolva primeiro a estrutura do campo e do caminho de retorno e, em seguida, aloque as direções preferenciais com base no posicionamento e na congestão.

Três arquétipos úteis de empilhamento de 10 camadas

A proporção por si só não prova que uma configuração de camadas seja boa. Dois arranjos de "6 sinais / 4 planos" podem se comportar de maneira muito diferente dependendo de onde os planos estão posicionados. Se um projeto precisa de seis camadas de sinal, reserve as camadas adjacentes aos planos para redes críticas e coloque os sinais mais lentos, mais curtos ou com roteamento ortogonal no par menos favorável.

Um exemplo de 10 camadas com muitos planos de referência

A seguinte ordem de camadas é um ponto de partida conceitual robusto para uma placa rígida com quatro camadas principais de sinal. Ela é eletricamente simétrica nos ambientes de sinal críticos e pode ser tornada mecanicamente simétrica espelhando as construções dielétricas e de cobre. Não apresenta espessuras dielétricas ou larguras de trilha universais.

Essa configuração fornece a ambas as camadas de sinal internas duas referências de terra e mantém cada sinal externo próximo ao terra. Cada plano de alimentação central possui um terra externo correspondente. O espaçamento central L5-L6 pode ser selecionado para otimizar a espessura total e o equilíbrio mecânico, sem ser interpretado erroneamente como um par de desacoplamento alimentação-terra.

Projetos que necessitam de mais roteamento podem converter um plano em sinal, mas as consequências devem ser explícitas. Por exemplo, converter a camada L6 em sinal remove um amplo plano de alimentação e cria uma camada de sinal adjacente à alimentação da camada L5 e ao terra da camada L7. Rotas críticas nessa camada devem evitar divisões da camada L5 ou ser projetadas para referenciar predominantemente a camada L7.

Remoção por pressão, cobre e fechamento por impedância

A espessura do pré-impregnado após a laminação não é igual ao seu valor de catálogo antes da cura. A espessura após a prensagem depende do tipo de fibra de vidro, teor de resina, densidade do cobre, tratamento, ciclo de prensagem e fluxo local da resina. O fabricante deve fornecer a espessura esperada após a prensagem para a construção específica e indicar a tolerância utilizada no modelo de impedância.

O cobre externo é uma dimensão final.

As camadas externas começam com uma folha base e ganham cobre durante a metalização dos furos e padrões. O modelo de impedância controlada deve usar a seção transversal da trilha finalizada, incluindo o formato trapezoidal da gravação. As camadas internas geralmente são gravadas a partir da folha sem o mesmo crescimento por metalização de padrões, portanto, uma trilha externa e uma interna com a mesma designação nominal de onças não necessariamente compartilham a mesma geometria.

Não libere as larguras de rastreamento antes do empilhamento.

Um desenho que fixa 50 Ω em uma largura específica, ao mesmo tempo que permite ao fornecedor alterar a construção do dielétrico, cria uma contradição. Ou se divulga a configuração e geometria exatas das camadas, ou se especifica a impedância alvo e se autoriza o fabricante a ajustar a largura/espaçamento dentro dos limites acordados. Qualquer alteração que afete o espaço de roteamento ou o alinhamento dos pares deve ser submetida à aprovação do cliente.

Utilize os dados de materiais corretos

O solucionador de campo deve usar Dk específico para a construção ou calibrado para o processo, e não um valor genérico copiado de uma folha de dados. As estruturas de superfície devem incluir a máscara de solda, quando presente. A análise de perdas em alta velocidade também requer Df, rugosidade do cobre e comportamento dependente da frequência; o cálculo da impedância por si só não qualifica a perda do canal.

Integridade de energia, caminhos de retorno e EMI

Um espaçamento menor entre o sinal e a referência reduz a indutância do circuito e a dispersão do campo, mas a melhoria exata depende da geometria; não deve ser anunciada como uma redução fixa em dB. Pares de placas podem fornecer capacitância distribuída, mas seu valor segue a relação de placas paralelas e a área de sobreposição real. Um dielétrico fino entre a fonte e o terra pode ser útil, mas não elimina o desacoplamento discreto nem a indutância do encapsulamento.

Mantenha os planos de referência de alta velocidade contínuos. Quando um plano de alimentação contém múltiplas ilhas, não coloque rotas críticas onde a corrente de retorno dominante teria que cruzar o limite de uma ilha. Se uma camada de sinal estiver entre a alimentação e o terra, defina qual plano é a referência pretendida e assegure-se de que o caminho alternativo seja controlado.

As cercas de passagem podem ajudar a resolver problemas selecionados de RF ou de corrente no gabinete, mas um espaçamento fixo universal em torno de cada placa digital é desnecessário e pode reduzir o roteamento ou criar perfurações no plano. O espaçamento e a terminação das cercas devem seguir a frequência mais alta e a estratégia de gabinete que está sendo controlada.

Planeje o caminho de retorno em cada transição de camada.

Um caminho de sinal altera o campo eletromagnético de uma estrutura de linha de transmissão para outra. Quando ambas as camadas de roteamento referenciam planos de terra, vias de terra próximas podem conectar esses planos e reduzir o loop do caminho de retorno, mas seu número e posicionamento devem seguir a geometria da transição, em vez de uma regra de distância universal. Quando uma rota muda entre camadas referenciadas a condutores diferentes, como terra em uma camada e um plano de alimentação em outra, a corrente de retorno precisa de um caminho de transferência deliberado. Esse caminho pode usar um capacitor de desacoplamento posicionado adequadamente entre os condutores de referência, uma atribuição de camada diferente ou uma transição redesenhada que mantenha ambos os segmentos referenciados ao terra.

O diagrama de empilhamento deve, portanto, identificar a referência pretendida para cada camada controlada, e não apenas rotular uma camada como "sinal". Os campos de vias, antipads e espaçamentos entre planos devem ser revisados ​​em conjunto, pois uma ordem de camadas eletricamente adequada ainda pode ser comprometida por uma transição que remova muito cobre de referência próximo.

Simetria, equilíbrio de cobre e risco de curvatura/torção

A simetria mecânica significa mais do que atribuir os mesmos nomes às redes ao longo da linha central. Combine os pesos de cobre externos, as construções dielétricas e a cobertura de cobre esperada. Um lado de componente de alta densidade pode ter muito mais cobre do que o lado oposto, mesmo quando os pesos nominais da folha metálica coincidem; pode ser necessário realizar ajustes no projeto ou balanceamento do projeto.

A aceitação de curvaturas e torções é regida pela especificação do produto aplicável e pela necessidade de montagem. A montagem de BGAs de passo fino pode exigir uma planicidade mais rigorosa do que o limite genérico para placas nuas. Portanto, a análise da estrutura em camadas deve considerar o tamanho do painel, o contorno da placa, a distribuição do cobre, os recortes, a combinação de materiais e o método de despanelização, e não apenas a simetria das camadas.

Materiais Híbridos, HDI e Variantes Rígido-Flexíveis

Construção híbrida de baixa perda

Materiais de baixa perda podem ser localizados em torno de camadas de sinal selecionadas, mas o arranjo exato do núcleo, pré-impregnado ou camada de ligação deve ser qualificado. Não imponha um limite universal de diferença de CTE e assuma compatibilidade. Analise o fluxo da resina, a adesão, a cura, a movimentação dimensional, o processo de perfuração/desbaste e a confiabilidade do furo metalizado para o par de materiais completo.

acúmulo de HDI

Em uma placa 1+8+1, 2+6+2 ou 3+4+3, a notação de camadas descreve a distribuição da estrutura, e não o processo de fabricação completo em si. Cada camada adiciona impressão, laminação, perfuração a laser, metalização e, quando necessário, preenchimento/planarização. A descrição da estrutura deve identificar cada microvia, via enterrada, via passante e a ordem em que as estruturas são formadas. A contagem de ciclos de prensagem deve incluir o subcomposto central e cada camada sequencial, utilizando a terminologia definida pelo fornecedor.

Conjunto rígido-flexível

Uma placa rígida-flexível de dez camadas não necessariamente mantém todas as dez camadas na zona de curvatura. Frequentemente, apenas algumas camadas flexíveis continuam, enquanto outras camadas de cobre terminam na região rígida. O projeto deve especificar a quantidade de camadas flexíveis, a construção com ou sem adesivo, a camada de cobertura, os reforços, o tipo de cobre, a direção da curvatura e a aplicação de carga estática ou dinâmica. A norma IPC-2223 é um padrão de projeto; o desempenho de placas flexíveis e rígidas-flexíveis acabadas é abordado pela norma IPC-6013.

Pacote de lançamento Stackup e DFM Gate

A lista de camadas de produção deve ser controlada por revisão e incluir todas as dez camadas de cobre, todos os nove espaços dielétricos, a qualidade e a construção do material, a designação do núcleo/pré-impregnado, a espessura nominal e de tolerância, o tipo e a espessura do cobre, a espessura final da placa, as estruturas controladas, os vãos de vias e quaisquer notas sobre laminação sequencial.

Conclua esta etapa antes da aprovação final do roteamento. Um fluxo de trabalho de "montagem final após o envio do Gerber" força alterações desnecessárias na arte e pode invalidar a simulação de temporização e canal. Envie a construção para a revisão de DFM com a tabela de impedância controlada e as principais premissas de roteamento.

Erros comuns de empilhamento e suas consequências

Funções de contagem incorretas

Uma tabela de camadas que alega ter seis camadas de sinal, mas lista apenas quatro, compromete toda a lógica do projeto. Conte as funções de cobre diretamente e verifique o ambiente de referência de cada sinal.

Omitir lacunas dielétricas

Dez camadas de cobre requerem nove separações dielétricas. Uma tabela que lista o dielétrico apenas "abaixo" de camadas selecionadas frequentemente omite ou conta duas vezes os espaços vazios e não corresponde à espessura final.

Utilizando larguras de traço universais

Dimensões fixas de 50 Ω ou 100 Ω copiadas de outra construção não devem ser usadas como regras prontas para fabricação. Elas devem ser recalculadas com o modelo real do dielétrico prensado, do cobre e do material.

Chamar dois planos de potência de par de desacoplamento

A capacitância distribuída em planos é útil entre condutores que transportam cargas opostas, tipicamente entre alimentação e terra. Dois planos de alimentação adjacentes em trilhas diferentes não são um substituto geral para um par alimentação-terra e podem introduzir acoplamento entre as trilhas.

Partindo do pressuposto de que as etiquetas elétricas criam simetria mecânica

A deformação depende do material, da espessura e da distribuição do cobre. Nomes de camadas espelhados não são suficientes se um lado tiver cobre denso e o outro tiver roteamento esparso.

Verifique a espessura final antes de liberar o layout.

A espessura nominal da placa é o resultado da soma das nove camadas de dielétrico prensado, das dez camadas de cobre, da contribuição da galvanoplastia e da convenção de medição do fornecedor. Uma simples soma dos núcleos e pré-impregnados do catálogo pode estar incorreta, pois o cobre fica incorporado na resina e a galvanoplastia externa é adicionada após a laminação. A especificação de empilhamento (stacking) deve mostrar o valor final calculado pelo fornecedor e a tolerância; em seguida, confirme se os requisitos para conectores, encaixe por pressão, borda da placa e invólucro utilizam a mesma definição.

A tolerância de espessura também altera a impedância e a geometria da perfuração traseira. Um projeto próximo ao limite da faixa de contato de um conector ou a uma janela de perfuração com profundidade controlada pode exigir um controle de construção mais rigoroso do que uma placa comum. Se uma placa mais fina for proposta para reduzir o comprimento das vias, verifique a rigidez, o manuseio na montagem, a deformação e a compatibilidade com os conectores, em vez de tratar a espessura apenas como uma variável elétrica.

Controle de revisão Stackup

Para cada configuração de camadas aprovada, faça uma revisão e vincule o desenho de fabricação, a tabela de impedância, o modelo de simulação e o conjunto de regras de layout a essa revisão. Uma alteração proposta pelo fornecedor no núcleo, pré-impregnado, cobre ou material deve gerar uma configuração de camadas com as marcações em vermelho, identificando quais geometrias controladas foram alteradas. Isso evita que uma substituição aparentemente insignificante durante a compra invalide silenciosamente as restrições de roteamento.

Efeitos ao nível do painel

O mesmo formato de placa pode se comportar de maneira diferente quando disposto em um painel de produção diferente. A remoção de cobre, o projeto dos trilhos, o posicionamento dos cupons, a carga da prensa e o roteamento de elementos destacáveis ​​podem influenciar a uniformidade da espessura e a curvatura/torção. Inclua a panelização na revisão do primeiro artigo quando a planicidade, a profundidade controlada ou a amostragem de impedância forem críticas.

Construções especiais de cobre espesso, RF e térmicas

A espessura do cobre varia mais do que a capacidade de corrente. Folhas espessas exigem maior tolerância de corrosão, afetam a espessura mínima das trilhas e o espaçamento, aumentam a demanda de resina durante a laminação e podem dificultar o balanceamento do cobre. Uma placa de dez camadas com camadas de alta potência selecionadas pode exigir construções pré-impregnadas com resina, cobre escalonado ou estruturas de barramento localizadas, em vez de cobre uniformemente espesso em todas as camadas. O fornecedor deve fornecer a geometria viável para a espessura exata do cobre e o tamanho do painel.

As camadas de RF podem ser posicionadas na parte externa ou interna de uma estrutura híbrida, dependendo do acesso de lançamento, da blindagem e do processamento do material. Estruturas de RF controladas podem exigir plano de aterramento coplanar, cercas de vias, cavidade ou revestimento de borda e um acabamento sem níquel em aplicações selecionadas. Esses recursos devem ser tratados como um projeto específico de circuito distribuído; a norma IPC-2228 e as diretrizes de processo do fornecedor do material selecionado podem ser relevantes. Eles não devem ser reduzidos a "usar laminado especial de baixa perda em L1".

Moedas de cobre embutidas, inserções térmicas e dissipadores de calor metálicos criam restrições locais de espessura, revestimento e laminação. Suas interfaces, isolamento, planaridade e caminho térmico devem ser definidos antes da liberação da estrutura de camadas. Um elemento térmico pode perturbar a impedância ou empenamento das camadas adjacentes se for adicionado após o roteamento. Coordene o modelo térmico, o desenho mecânico e a ordem das camadas elétricas como um único projeto.

Para qualquer construção especial, solicite um desenho da seção transversal e uma resposta DFM específica para o processo. A tabela geral de capacidades de dez camadas não deve ser interpretada como se todas as opções de cobre espesso, RF, flexíveis e térmicas embutidas pudessem ser combinadas sem uma qualificação do projeto.

Controle de alterações do Stackup após o início do layout

Uma vez que as regras de roteamento, as metas de atraso e os modelos de canal estejam vinculados a uma configuração aprovada, uma alteração de material ou construção é considerada uma alteração de engenharia, e não uma substituição por compra. Alterações na construção do núcleo ou do pré-impregnado, no teor de resina, na folha de cobre, no cobre acabado, na máscara de solda, no vão de vias ou na sequência de laminação podem afetar mais de uma restrição de projeto simultaneamente.

Quando o departamento de compras necessitar de uma espessura dielétrica alternativa, refaça as verificações elétricas e mecânicas. A troca de um pré-impregnado pode alterar a largura da trilha, o espaçamento entre pares, o atraso de propagação, a espessura total e o equilíbrio da resina. O desenho revisado deve identificar a nova construção, em vez de preservar o número da revisão anterior. Essa prática é especialmente importante quando uma mesma estrutura de pré-impregnados é reutilizada em diversos produtos ou locais de fabricação.

Lista de verificação de aprovação do Stackup

A configuração das camadas está pronta para liberação do layout quando a arquitetura elétrica e a construção do material fabricável estiverem alinhadas. O pacote de aprovação final deve mostrar todas as dez camadas de cobre e todos os nove espaços dielétricos, identificar o plano de referência para cada camada de sinal controlada e concluir o cálculo da espessura final usando os valores dielétricos de catálogo, e não os valores de prensagem.

• Confirme as funções de camada, a continuidade de referência e a segmentação do plano de potência.
• Equilíbrio na construção dielétrica, distribuição de cobre e materiais especiais ao redor do centro mecânico, onde for viável.
• Identifique as opções exatas de núcleo, pré-impregnado, teor de resina e folha de cobre utilizadas nos modelos de impedância e perda.
• Resolver sublaminações HDI, vias enterradas, transições flexíveis e ligações de materiais híbridos antes da numeração final.
• Devolver as larguras de produção, os espaçamentos entre pares e a espessura final para aprovação.
• Bloqueie a revisão da pilha de chamadas antes que as restrições de roteamento e as regras de correspondência de atraso sejam finalizadas.

Um diagrama de empilhamento útil serve tanto como delimitador do modelo elétrico quanto como instrução de fabricação. Se não explicar o caminho de retorno, a espessura total, a construção do cobre e a sequência de laminação, não está pronto para ser liberado.