Guia de empilhamento e impedância controlada de PCB

Por que o design de empilhamento é importante

Aqui está o que todo designer de PCB de alta velocidade ou RF encontra: você precisa conhecer sua pilha de camadas antes de rotear um único rastreamento. Perca esta etapa e você passará semanas depurando problemas de integridade de sinal que remontam a uma meta de impedância ruim que você definiu no primeiro dia. Acerte cedo e a impedância controlada se torna quase automática — sua geometria faz o trabalho por você.

Vou abordar a física que realmente importa, como escolher materiais sem estourar seu orçamento e como usar nosso PCB Stack-Up Builder para projetar pilhas de forma interativa. Sem acenar com as mãos, apenas os modelos que funcionam.

A física: como a geometria do traço define a impedância

Pense em qualquer traço de PCB como uma linha de transmissão. Seja carregando um relógio SPI de 10 MHz ou um sinal de onda de 28 GHz mmWave, sua impedância característica$Z_0$se resume a quatro parâmetros físicos:

1. Largura do traço ($w$) — torne-o mais largo e a impedância diminua
2. Altura dielétrica ($h$) — a lacuna vertical entre seu traçado e o plano terrestre mais próximo
3. Constante dielétrica ($\varepsilon_r$) — valores mais altos diminuem a impedância
4. Espessura do cobre ($t$) — tem um efeito menor, mas é importante para um trabalho preciso

Eles não se combinam linearmente, e é por isso que você não pode simplesmente observá-los. O modelo Hammerstad-Jensen de 1980 ainda é o padrão-ouro para cálculos de microfitas de formato fechado:Aqui,$u = w_{\text{eff}} / h$é a largura do traço normalizada e$\varepsilon_{\text{eff}}$é a constante dielétrica efetiva - basicamente uma média ponderada entre o substrato de PCB e o ar acima do traço. Essa fórmula mantém uma precisão de 1% para o$0.1 \leq w/h \leq 10$, que abrange quase tudo que você criará.

A constante dielétrica efetiva é importante porque a microfita vive em dois mundos: parte do campo viaja pelo FR4 (ou Rogers, ou qualquer outra coisa) e parte viaja pelo ar. Stripline, enterrada entre dois planos terrestres, vê apenas o substrato, então, exatamente$\varepsilon_{\text{eff}} = \varepsilon_r$. Essa diferença aparece nas larguras dos traços e no orçamento de perdas.

Modos de rastreamento: Microstrip x Stripline x CPWG

Microfita

Este é o traço da camada externa de pão com manteiga: cobre na parte superior, plano do solo embaixo, ar (ou máscara de solda) acima. O campo se divide entre o dielétrico e o ar, então o$\varepsilon_{\text{eff}}$termina em algum lugar entre 1 e o$\varepsilon_r$do seu substrato.

Quando usá-lo: A maioria dos sinais de extremidade única nas camadas externas. E/S digital, relógios de velocidade moderada, traços de RF onde você deseja acesso fácil para sondagem ou ajuste. Se você está fazendo lançamentos de SMA ou precisa medir algo com uma sonda, provavelmente está usando microfita.

Microstrip incorporado

Mesma geometria, mas agora você tem uma máscara de solda no topo. Essa sobreposição não é apenas cosmética — ela aumenta o$\varepsilon_{\text{eff}}$e diminui o$Z_0$em alguns ohms. A maioria dos engenheiros ignora essa correção e depois se pergunta por que suas medidas de impedância de placa nua não coincidem com o produto montado. Não seja esse engenheiro.

Stripline

Enterre seu traço entre dois planos terrestres sólidos e você obterá uma faixa. Todo o campo eletromagnético permanece dentro do dielétrico, então você obtém$\varepsilon_{\text{eff}} = \varepsilon_r$sem ambigüidade. Melhor proteção, menor radiação, mas você precisará de traços mais estreitos para atingir a mesma impedância da microfita.

Quando usar: Camadas internas para qualquer coisa sensível. Grupos de dados DDR4 ou DDR5, faixas PCIe, USB 3.x ou qualquer rastreamento que precise ser isolado dos sinais próximos. Se o crosstalk é seu inimigo, stripline é seu amigo.

Linha de faixa assimétrica

Os PCBs reais raramente centralizam perfeitamente um traço entre dois planos de referência — você precisaria de espessuras de pré-impregnação idênticas acima e abaixo, o que aumenta o custo. Quando o traço fica mais próximo de um plano, a impedância muda. O IPC-2141A fornece um fator de correção:

onde$h_1$é a distância até o plano mais próximo e$b = h_1 + h_2 + t$é a altura total da pilha dielétrica. O efeito de assimetria é pequeno, geralmente de alguns por cento, mas existe.

Pares diferenciais

Dois traços executando sinais complementares. A impedância diferencial$Z_{\text{diff}}$depende da impedância de extremidade única de cada traço e da força com que eles estão acoplados. Aproxime-os e eles começarão a compartilhar a corrente de retorno, o que diminui a impedância diferencial abaixo de$2 Z_0$:

Aqui,$s$é o espaçamento de borda a borda e$w$é a largura do traço. Para um diferencial de 100 Ω, você normalmente deseja traços de extremidade única de 50—55 Ω com espaçamento aproximadamente igual à largura do traçado. Um acoplamento mais apertado puxa você para baixo em direção a 90 Ω; um espaçamento maior empurra você para cima em direção a 110 Ω.

CPWG (guia de ondas coplanares com solo)

Um traço com terra escorre de cada lado na mesma camada, além de um plano de solo abaixo. A matemática envolve integrais elípticas — nada que você queira resolver manualmente — mas o CPWG oferece excelente desempenho de alta frequência porque a corrente de retorno permanece próxima ao sinal. Mínimo por meio de transições, confinamento de campo restrito, impedância muito previsível.

Quando usá-lo: Projetos mmWave, plataformas de lançamento de conectores de RF (especialmente SMA), em qualquer lugar em que você precise de um controle de impedância ultra-rígido sem cair em uma camada interna. Ele consome imóveis, mas o desempenho elétrico vale a pena.

Seleção de materiais

Sua escolha dielétrica define sua impedância de linha de base e sua tangente de perda. Aqui está o que realmente é usado na produção:

Para placas de sinal misto, digamos que você tenha um rádio de 2,4 GHz e um monte de lógica digital, considere uma pilha híbrida. Coloque Rogers nas camadas externas onde reside sua RF, use o núcleo FR4 para o roteamento digital interno e você economizará muito dinheiro sem comprometer o desempenho. Atualmente, a maioria das fábricas lida com pilhas híbridas rotineiramente.

A tangente de perda importa mais do que as pessoas pensam. Esse 0,020 tan δ no FR4 padrão funciona bem em 100 MHz, mas se torna um problema em 1 GHz. Você verá isso como perda de inserção em um VNA ou como seu diagrama ocular se fechando em um link serial de alta velocidade. Gaste o dólar extra por prancha em um material melhor se você estiver perto da borda.

Escolhendo sua contagem de camadas

• 2 camadas: Ótimo para atividades de hobby e circuitos simples. Você obtém uma camada de sinal com controle de impedância decente se inundar o fundo com terra. Qualquer coisa além do digital básico e você se arrependerá.

• 4 camadas: O ponto ideal para a maioria dos designs. Sinal—Terra—Potência—O sinal fornece duas superfícies de impedância controlada, uma referência de terra sólida e um plano de distribuição de energia. Se você estiver fazendo alguma coisa com DDR3, Ethernet, USB 2.0 ou relógios de velocidade moderada, comece aqui.

• 6 camadas: Adiciona duas camadas internas de sinal para roteamento denso. Você vê isso em placas com interfaces de memória DDR4, nas quais é necessário interromper barramentos de 64 bits sem violar as regras de correspondência de comprimento. As camadas extras permitem que você percorra o plano do solo sem cortar o plano do solo.

• 8 camadas: Nível de servidor, equipamento de rede, RF complexo. Oferece espaço para camadas de RF dedicadas com material Rogers, vários planos terrestres para isolamento e canais de roteamento suficientes para manter os pares diferenciais de alta velocidade afastados uns dos outros. Custa mais, mas às vezes não há outra maneira.

Dicas de FM

Algumas coisas que aprendi da maneira mais difícil:

Mantenha as camadas de cobre simétricas. Contagens estranhas de camadas causam deformação durante a laminação porque um lado da placa esfria de forma diferente do outro. Sua fabulosa casa pode fazer isso, mas eles cobrarão mais e o rendimento cairá. A espessura mínima de pré-impregnação é de 75 μm para processos padrão. Você pode emagrecer com uma fábrica especializada, mas ela não é confiável e você pagará pelo privilégio. Se seu cálculo de impedância quiser 50 μm de pré-impregnação, você precisará repensar sua pilha. Especifique a impedância em seu desenho de fabricação. A maioria das lojas ajusta a largura do traço em ± 10% para atingir sua meta, pois conhece o processo de gravação melhor do que você. Dê a eles a impedância e a largura nominal; deixe-os ajustá-la. Considere o fator de corrosão. As camadas externas gravam de forma diferente das camadas internas — o ácido ataca pelas laterais, então você obtém seções transversais trapezoidais em vez de retangulares. Sua fabulosa casa conhece seu processo; solicite seus valores de compensação de corrosão se você estiver fazendo um trabalho de RF de precisão. Use o mesmo material dielétrico para todas as camadas a menos que você tenha um motivo específico para não fazê-lo. Pilhas de materiais mistos aumentam o custo e o prazo de entrega porque a fábrica precisa fazer ciclos de laminação separados. As pilhas híbridas (Rogers + FR4) são comuns o suficiente para que a maioria dos lugares as manipule, mas três materiais diferentes? Você está procurando problemas.

Experimente: Construtor de empilhamento interativo

Nosso PCB Stack-Up Builder oferece um ambiente de design totalmente interativo:

• Arraste e solte camadas para criar qualquer pilha que você quiser — 2L a 8L, simétrica ou assimétrica
• Escolha entre 8 pilhas predefinidas que variam de placas de hobby de 2L a configurações Rogers híbridas de 8L
• Escolha materiais reais—Variantes FR4, Rogers RO4003C/RO4350B/RO3003, Megtron 6, PTFE
• Impedância de computação para todos os 8 modos de rastreamento: microfita, microfita incorporada, linha de faixa, linha de faixa assimétrica, pares diferenciais em todos esses modos e CPWG
• Resolva a largura do traço dada a impedância alvo — basta digitar 50 Ω e ele calculará novamente a geometria
• Exporte CSV para seu fabuloso pacote de desenhos
• Veja uma seção transversal ao vivo com espessuras de camada proporcionais e uma sobreposição de traços para que você possa visualizar o que está construindo

Toda a matemática é executada em seu navegador usando as fórmulas Hammerstad-Jensen (1980), Cohn (1954) e IPC-2141A. Sem ida e volta do servidor, feedback instantâneo à medida que você ajusta os parâmetros. Altere a altura dielétrica e observe a atualização da impedância em tempo real.

Referências

• Hammerstad, E. & Jensen, O. “Modelos precisos para design assistido por computador com microfita”. Resumo IEEE MTT-S, 1980.
• Cohn, S.B. “Impedância característica da linha de transmissão de faixa blindada”. Proc. INCÊNDIO, 1954.
• IPC-2141A. “Guia de design para placas de circuito de impedância controlada de alta velocidade”.
• Wadell, B.C. Manual de projeto de linha de transmissão. Artech House, 1991.
• Bogatin, E. Integridade de sinal e potência — simplificada. 3ª ed., Pearson, 2018.