Guía de apilamiento e impedancia controlada de PCB

Por qué es importante el diseño apilable

Esto es lo que encuentran todos los diseñadores de PCB de alta velocidad o RF: necesita conocer su pila de capas antes de poder enrutar una sola traza. Si omite este paso, pasará semanas depurando los problemas de integridad de la señal que se deben a un objetivo de impedancia incorrecto que se fijó el primer día. Si lo logras pronto, la impedancia controlada pasará a ser casi automática: tu geometría hará el trabajo por ti.

Voy a explicar la física que realmente importa, cómo elegir materiales sin gastar mucho dinero y cómo usar nuestro PCB Stack-Up Builder para diseñar pilas de forma interactiva. Sin agitar las manos, solo los modelos que funcionan.

La física: cómo la geometría de trazas establece la impedancia

Piense en cualquier traza de PCB como una línea de transmisión. Ya sea que lleve un reloj SPI de 10 MHz o una señal de onda milimétrica de 28 GHz, su impedancia característica $Z_0$ se reduce a cuatro parámetros físicos:

1. Ancho de trazo ($w$): hágalo más ancho y la impedancia disminuirá
2. Altura dieléctrica ($h$): el espacio vertical entre la traza y el plano de tierra más cercano
3. Constante dieléctrica ($\varepsilon_r$): los valores más altos reducen la impedancia
4. Grosor del cobre ($t$): tiene un efecto menor, pero es importante para un trabajo preciso

Estos no se combinan de forma lineal, por lo que no puedes simplemente mirarlos a simple vista. El modelo Hammerstad-Jensen de 1980 sigue siendo el estándar de referencia para los cálculos en microtiras de forma cerrada:

En este caso, $u = w_{\text{eff}} / h$ es el ancho de la traza normalizado y $\varepsilon_{\text{eff}}$ es la constante dieléctrica efectiva, básicamente un promedio ponderado entre el sustrato de la PCB y el aire por encima de la traza. Esta fórmula tiene una precisión de hasta un 1% para $0.1 \leq w/h \leq 10$, lo que cubre casi todo lo que construirás.

La constante dieléctrica efectiva es importante porque la microfranja vive en dos mundos: una parte del campo viaja a través del FR4 (o Rogers, o lo que sea) y otra parte viaja a través del aire. La línea lineal, enterrada entre dos planos del suelo, solo ve el sustrato, es decir, el $\varepsilon_{\text{eff}} = \varepsilon_r$ exactamente. Esa diferencia se refleja en el ancho de sus trazas y en su presupuesto de pérdidas.

Modos de rastreo: Microstrip contra Stripline contra CPWG

Microstrip

Este es el rastro que queda en la capa exterior: cobre en la parte superior, plano del suelo en la parte inferior y aire (o máscara de soldadura) en la parte superior. El campo se divide entre el dieléctrico y el aire, de modo que el $\varepsilon_{\text{eff}}$ termina en algún punto entre 1 y el $\varepsilon_r$ del sustrato.

Cuándo usarlo: La mayoría de las señales de un solo extremo se encuentran en las capas exteriores. E/S digitales, relojes de velocidad moderada y trazas de radiofrecuencia a las que quieras acceder fácilmente para sondear o afinar. Si estás realizando lanzamientos de SMA o necesitas medir algo con una sonda, probablemente estés usando microstrip.

Microstrip integrado

La misma geometría, pero ahora tienes una máscara de soldadura en la parte superior. Esa superposición no es solo estética: aumenta el $\varepsilon_{\text{eff}}$ y reduce el $Z_0$ en unos pocos ohmios. La mayoría de los ingenieros omiten esta corrección y luego se preguntan por qué sus mediciones de impedancia sin usar no coinciden con las del producto ensamblado. No seas ese ingeniero.

Línea de rayas

Entierra tu rastro entre dos planos de tierra firme y obtendrás Stripline. Todo el campo electromagnético permanece dentro del dieléctrico, por lo que se obtiene el $\varepsilon_{\text{eff}} = \varepsilon_r$ sin ambigüedad. Mejor blindaje, menor radiación, pero necesitarás trazas más estrechas para alcanzar la misma impedancia que la microbanda.

Cuándo usarlo: Capas interiores para cualquier cosa sensible. Grupos de datos DDR4 o DDR5, líneas PCIe, USB 3.x o cualquier rastro que necesite aislarse de las señales cercanas. Si la diafonía es tu enemigo, stripline es tu amigo.

Línea de banda asimétrica

Los PCB reales rara vez centran una traza perfectamente entre dos planos de referencia; se necesitarían espesores idénticos de material preimpregnado por encima y por debajo, lo que aumenta los costos. Cuando la traza se encuentra más cerca de un plano, la impedancia cambia. El IPC-2141A le proporciona un factor de corrección:

donde $h_1$ es la distancia al plano más cercano y $b = h_1 + h_2 + t$ es la altura total de la pila dieléctrica. El efecto de asimetría es pequeño (por lo general, un pequeño porcentaje), pero está ahí.

Pares diferenciales

Dos trazas que transmiten señales complementarias. La impedancia diferencial $Z_{\text{diff}}$ depende de la impedancia de un solo extremo de cada traza y de qué tan estrechamente estén acopladas. Acérquelas y comenzarán a compartir la corriente de retorno, lo que reduce la impedancia diferencial por debajo de los $2 Z_0$:

Aquí $s$ es el espaciado de borde a borde y $w$ es el ancho de trazo. Para 100 Ω diferenciales, normalmente se prefieren trazas de un solo extremo de 50-55 Ω con un espaciado aproximadamente igual al ancho de la traza. Un acoplamiento más estrecho lo empuja hacia abajo hacia 90 Ω; . Un espaciado más amplio lo empuja hacia arriba, hacia 110 Ω.

CPWG (guía de ondas coplanar con tierra)

Un trazo con tierra se derrama a cada lado en la misma capa, más un plano de tierra por debajo. Los cálculos incluyen integrales elípticas (nada que quieras resolver a mano), pero el CPWG ofrece un rendimiento excelente en alta frecuencia porque la corriente de retorno permanece justo al lado de la señal. Transiciones de vía mínimas, confinamiento de campo estrecho e impedancia muy predecible.

Cuándo usarlo: Diseños mmWave, plataformas de lanzamiento de conectores RF (especialmente SMA), en cualquier lugar donde necesites un control de impedancia ultra ajustado sin caer a una capa interior. Consume mucho espacio a bordo, pero el rendimiento eléctrico merece la pena.

Selección de materiales

Su elección dieléctrica establece la impedancia de referencia y la tangente de pérdida. Esto es lo que realmente se utiliza en la producción:

En el caso de las placas de señal mixta (supongamos que tienes una radio de 2,4 GHz y un montón de lógica digital), considera una pila híbrida. Coloque a Rogers en las capas exteriores, donde reside su radiofrecuencia, utilice el núcleo FR4 para el enrutamiento digital interno y ahorrará mucho dinero sin comprometer el rendimiento. En la actualidad, la mayoría de las casas fabulosas gestionan pilas híbridas de forma rutinaria.

La tangente de pérdida importa más de lo que la gente piensa. Los 0,020 tan δ del FR4 estándar están bien a 100 MHz, pero se convierten en un problema a 1 GHz. Lo verás como una pérdida de inserción en un VNA o como un diagrama ocular que se cierra en un enlace serie de alta velocidad. Gasta el dólar extra por placa en un material mejor si estás cerca del límite.

Elegir el recuento de capas

• 2 capas: Ideal para cosas de hobby y circuitos sencillos. Obtienes una capa de señal con un control de impedancia decente si llenas de tierra la parte inferior. Cualquier cosa más allá de lo digital básico y te arrepentirás.
• 4 capas: El punto óptimo para la mayoría de los diseños. Señal, tierra, potencia: la señal ofrece dos superficies de impedancia controlada, una referencia de tierra sólida y un plano de distribución de energía. Si está haciendo algo con relojes DDR3, Ethernet, USB 2.0 o de velocidad moderada, comience por aquí.
• 6 capas: Añade dos capas de señal internas para un enrutamiento denso. Esto se ve en placas con interfaces de memoria DDR4, en las que es necesario separar buses de 64 bits sin infringir las reglas de ajuste de longitud. Las capas adicionales le permiten enrutar sin cortar su plano de tierra.
• 8 capas: Equipo de red de nivel servidor, RF complejo. Ofrece espacio para capas de RF específicas con material de Rogers, varios planos de tierra para aislarlos y suficientes canales de enrutamiento para mantener alejados entre sí los pares diferenciales de alta velocidad. Cuesta más, pero a veces no hay otra forma.

# Consejos de FM

Algunas cosas que aprendí por las malas:

Mantenga las capas de cobre simétricas. Los recuentos impares de capas provocan deformaciones durante la laminación porque un lado de la placa se enfría de manera diferente que el otro. Tu fabulosa casa puede hacerlo, pero te cobrarán más y la producción disminuirá. El grosor mínimo del material preimpregnado es de 75 μm para los procesos estándar. Puede optar por una fabricación más fina con una fabricación especializada, pero no es fiable y tendrá que pagar por el privilegio. Si tu cálculo de impedancia requiere 50 μm de material preimpregnado, debes replantearte tu sistema. Especifica la impedancia en tu fabuloso dibujo. La mayoría de los talleres ajustarán el ancho del trazo en un ± 10% para alcanzar tu objetivo, ya que conocen el proceso de grabado mejor que tú. Dales la impedancia y el ancho nominal; deja que ellos lo modifiquen. Ten en cuenta el factor de grabado. Las capas exteriores graban de manera diferente a las capas interiores: el ácido ataca desde los lados, por lo que se obtienen secciones transversales trapezoidales en lugar de rectangulares. Tu fábrica conoce sus procesos; pregunta por sus valores de compensación de grabado si estás realizando trabajos de radiofrecuencia de precisión. Usa el mismo material dieléctrico para todas las capas a menos que tengas una razón específica para no hacerlo. Las pilas de materiales mixtos aumentan los costos y el tiempo de entrega porque la fábrica tiene que realizar ciclos de laminación separados. Las pilas híbridas (Rogers + FR4) son lo suficientemente comunes como para que en la mayoría de los lugares las manejen, pero ¿son de tres materiales diferentes? Estás buscando problemas.

Pruébalo: Interactive Stack-Up Builder

Nuestro PCB Stack-Up Builder le ofrece un entorno de diseño totalmente interactivo:

• Capas de arrastrar y soltar para crear cualquier pila que desees: de 2 L a 8 L, simétricas o asimétricas
• Elige entre 8 pilas preconfiguradas, que van desde tablas para aficionados de 2 litros hasta configuraciones Rogers híbridas de 8 litros
• Elige materiales reales: variantes FR4, Rogers RO4003C/RO4350B/RO3003, Megtron 6, PTFE
• Impedancia computable para los 8 modos de rastreo: microbanda, microbanda integrada, línea de banda, línea de banda asimétrica, pares diferenciales en todos esos modos y CPWG
• Calcula el ancho de trazo teniendo en cuenta la impedancia objetivo. Solo tienes que escribir 50 Ω y calculará la geometría de forma inversa
• Exporta CSV para tu fabuloso paquete de dibujo
• Observe una sección transversal en directo con espesores de capa proporcionales y una superposición de trazo para que pueda visualizar lo que está construyendo

Todas las matemáticas se ejecutan en el navegador mediante las fórmulas de Hammerstad-Jensen (1980), Cohn (1954) e IPC-2141A. Sin servidor de ida y vuelta, retroalimentación instantánea a medida que ajusta los parámetros. Cambie la altura dieléctrica y observe la actualización de la impedancia en tiempo real.

Referencias

• Hammerstad, E. y Jensen, O. «Modelos precisos para el diseño asistido por computadora de Microstrip». IEEE MTT-S Digest, 1980.
• Cohn, S.B. «Impedancia característica de la línea de transmisión de banda blindada». Proc. FUEGO, 1954.
• IPC-2141A. «Guía de diseño para placas de circuitos de impedancia controlada de alta velocidad».
• Wadell, B.C. Manual de diseño de líneas de transmisión. Artech House, 1991.
• Bogatin, E. Integridad de la señal y la potencia: simplificada. 3a ed., Pearson, 2018.