Quando si progettano circuiti stampati, è necessario tenere conto di come ogni strato della scheda influenzerà gli altri. Se si sta progettando una scheda a doppio lato, ad esempio, è importante sapere quali strati saranno sopra o sotto gli altri in modo da poter apportare le modifiche necessarie al progetto di conseguenza.
Questa guida ti aiuterà a capire cos’è lo stack-up della PCB, le regole di progettazione dello stack-up e quali effetti hanno i diversi strati sul prodotto finale.
Cos'è lo Stack-up della PCB?
Lo stack-up di un circuito stampato è la disposizione degli strati di diversi materiali in un circuito stampato (PCB). Uno stack-up tipico di un circuito stampato consisterà in uno strato di rame, uno strato isolante, un piano di massa e uno strato di segnale. Uno stack-up della PCB ha un effetto su diverse proprietà di un circuito stampato, tra cui le prestazioni termiche, le prestazioni delle interferenze elettromagnetiche (EMI), la risposta a stress e deformazione e integrità del segnale.
Strati di rame
Esistono due tipi di strati di rame, interni ed esterni. Gli strati di rame interni sono utilizzati per collegare i componenti tra loro e gli strati di rame esterni sono utilizzati per le connessioni a dispositivi esterni. Anche lo spessore degli strati di rame è importante. Lo spessore dovrebbe essere di 1 oz per gli strati interni e di 2 oz per gli strati esterni. Un rame più sottile può influire sulle prestazioni del circuito ed essere difficile da instradare. Un rame più spesso è più robusto, ma aumenta anche il costo della scheda. Lo spessore del rame deve essere selezionato in base ai requisiti di progettazione. Ad esempio, lo spessore del rame deve essere almeno 0,01 mm più largo della larghezza della traccia più grande.
Strati di segnale
Gli strati di segnale sono utilizzati per trasportare segnali digitali ad alta velocità come dati e segnali di clock. I due tipi più comuni di strati di segnale sono single-ended e differenziali. Gli strati single-ended sono utilizzati per trasportare un singolo segnale. Non esiste un riferimento di massa, quindi il segnale è vulnerabile al rumore. Gli strati differenziali sono utilizzati per trasportare più segnali con un riferimento di massa. Questo è il tipo di strato più comune ed è ideale per circuiti RF e comunicazioni ad alta velocità. Lo spessore degli strati di segnale dovrebbe essere di 0,5 oz o 1 oz. Lo spessore dello strato è determinato dalla larghezza delle tracce. Le tracce devono essere almeno 0,004 mm più larghe della larghezza della traccia.
Strati isolanti
Gli strati isolanti sono utilizzati per isolare gli strati di rame e prevenire cortocircuiti elettrici. I due tipi più comuni di strati isolanti sono resina epossidica FR-4 e resina epossidica di vetro. Resina epossidica FR-4: la resina epossidica FR-4 è un materiale di alta qualità che ha eccellenti proprietà per l’uso nei PCB, comprese eccellenti proprietà termiche e meccaniche. Questo è il materiale isolante più comunemente utilizzato. Resina epossidica di vetro: la resina epossidica di vetro è un materiale isolante di altissima qualità. È comunemente utilizzato per schede di fascia alta. La resina epossidica di vetro è più costosa della resina epossidica FR-4, ma potrebbe valere la pena per le schede critiche. Lo spessore degli strati isolanti dovrebbe essere di 1,5 mm. Lo spessore dello strato è determinato dalla larghezza delle tracce. Le tracce devono essere almeno 0,005 mm più larghe della larghezza della traccia.
Piano di massa
Un piano di massa di un circuito digitale lo protegge dalle interferenze elettromagnetiche, fungendo anche da percorso di ritorno per la corrente. Lo spessore del piano di massa dovrebbe essere di 0,25 mm. Lo strato del piano di massa dovrebbe essere più largo di 0,005 mm rispetto alla larghezza della traccia. Una combinazione di rame-nichel è preferibile a uno strato di piano di massa in rame puro grazie alla sua capacità di schermatura, anche se è più costosa e meno conduttiva. Uno strato singolo di rame è meno conduttivo e più suscettibile alla corrosione, ma è più economico e facile da ottenere.
Stackup PCB consigliato
Stackup PCB a 4 strati
Lo stackup di schede di circuito stampato a 4 strati consigliato di seguito si basa sull’esperienza del settore e su una ricerca approfondita. Questo stackup è abbastanza generico da poter essere utilizzato con più tipi di PCB.
Strato di rame superiore – Spessore del rame: 1 oz, Materiale della maschera di saldatura: FR-4, Spessore del nichel: 1 oz o 2 oz;
Strato di rame inferiore – Spessore del rame: 1 oz, Materiale della maschera di saldatura: FR-4, Spessore del nichel: 1 oz o 2 oz;
Strato isolante – Poliammide da 1,5 mm, Resistenza dielettrica: 3000 V/mil;
Piano di massa – Rame da 0,25 mm, Resistenza dielettrica: 3000 V/mil.
Stackup PCB a 6 strati
Per il design con elevata densità di chip e alta frequenza di clock, si dovrebbe prendere in considerazione il design di una scheda a 6 strati. Il metodo di stackup PCB a 6 strati consigliato è mostrato nella figura seguente:
Questo metodo di stackup può ottenere una migliore integrità del segnale, lo strato del segnale è adiacente allo strato di massa, lo strato di alimentazione e lo strato di massa sono accoppiati, l’impedenza di ciascun strato di traccia può essere ben controllata e entrambi gli strati di massa assorbono bene le linee del campo magnetico. E nel caso di uno strato di alimentazione e massa completo, può fornire un percorso di ritorno migliore per ciascun strato di segnale.
Stackup PCB a 8 strati
Le schede PCB a 8 strati sono tipicamente utilizzate in sistemi ad alta velocità e ad alte prestazioni. Alcuni di questi strati sono utilizzati per piani di alimentazione o di massa, che di solito sono piani solidi senza divisioni. Questo metodo utilizza un piano di riferimento di massa multistrato, che ha una buona capacità di ridurre al minimo la quantità e gli effetti di EMI.
La struttura a 8 strati è la seguente:
Strato superiore – Segnale 1: superficie del componente, strato di routing a microstriscia, buon strato di routing;
2° Strato – Piano di massa: migliore capacità di assorbimento delle onde elettromagnetiche;
3° Strato – Segnale 2: strato di routing a stripline, buon strato di routing;
4° Strato – Strato di alimentazione: costituisce un eccellente assorbimento elettromagnetico con gli strati sottostanti;
5° Strato – Piano di massa;
6° Strato – Segnale 3: strato di routing a stripline, buon strato di routing;
7° Strato – Piano di massa: migliore capacità di assorbimento delle onde elettromagnetiche;
8° Strato – Segnale 4: strato di routing a microstriscia, buon strato di routing.
Regole di progettazione dello Stackup PCB
La progettazione dello stackup PCB è correlata ai requisiti della funzione del circuito, all’integrità del segnale, a EMI, EMC, al costo di produzione, ecc. Sulla base di questo, abbiamo riassunto queste regole di progettazione per il tuo riferimento.
1. Utilizzo di una struttura a numero pari di strati
La nostra esperienza di progettazione di circuiti nel passato suggerisce che il design dello stackup è quasi sempre una struttura a numero pari di strati, non a numero dispari.
- Risparmio sui costi
Il costo di elaborazione dei PCB a strati dispari è significativamente più alto rispetto ai PCB a strati pari. Poiché la scheda a circuito con numero dispari di strati deve aggiungere uno strato di nucleo laminato sulla base del processo della struttura dello strato di nucleo.
- Evitare la flessione della scheda circuitale
Una tensione di laminazione insolita può causare la flessione di una scheda. Man mano che lo spessore della scheda aumenta, aumenta anche il rischio di flessione. Una scheda a circuito con numero dispari di strati è facile da piegare, mentre un PCB a strati pari può evitare la flessione.
2. Determinare il routing e i vias
Le direzioni del cablaggio sullo stesso strato di segnale dovrebbero essere coerenti e ortogonali a quelle sugli strati di segnale adiacenti. Ad esempio, la direzione del cablaggio su uno strato di segnale potrebbe essere impostata sulla direzione “Asse Y”, e la direzione del cablaggio su uno strato di segnale adiacente potrebbe essere impostata sulla direzione “Asse X”.
3. Scegliere la disposizione degli strati
- È importante stabilire un corretto posizionamento degli strati quando si utilizza la tecnologia microstrip.
- Instrada i segnali ad alta velocità su microstrip di spessore minimo e posiziona gli strati di segnale accanto agli strati di alimentazione per un forte accoppiamento.
- Gli strati di alimentazione e di massa dovrebbero essere distanziati il più possibile.
- È importante mantenere separati gli strati di segnale.
4. Selezionare tracce di segnale corte
Gli strati superiore e inferiore di un PCB multistrato sono solitamente utilizzati per posizionare i componenti e un piccolo numero di tracce di segnale. Queste tracce di segnale non dovrebbero essere troppo lunghe per ridurre la radiazione diretta generata da esse.
5. condensatori di disaccoppiamento
Quando si progetta un PCB, è importante utilizzare condensatori di disaccoppiamento per garantire una corretta erogazione dell’alimentazione. Solo i piani superiore e inferiore dovrebbero servire come posizioni per i condensatori di disaccoppiamento. L’efficienza di questi condensatori dipende in gran parte dalla qualità delle tracce, dei pad e dei vias associati. Per garantire un corretto funzionamento, i fili devono essere il più corti possibile e i vias devono essere il più vicini possibile.
Opzioni di materiale e spessore per lo stackup del PCB
Come introdotto sopra, sappiamo che ci sono tre componenti principali che compongono uno stackup del PCB: rame, isolamento e piano di massa. La scelta del materiale e dello spessore per ogni strato influisce sulle caratteristiche prestazionali del prodotto finale.
Strati di rame– Esistono molti tipi diversi di rame disponibili. Ogni tipo ha una diversa temperatura di fusione, conduttività elettrica e tasso di espansione termica. La scelta del rame è solitamente determinata dai requisiti di progettazione.
Ricorda sempre che più spessi sono gli strati di rame, più robusto sarà il design complessivo. Ma strati di rame più spessi aumenteranno il costo della scheda.
Strati di isolamento– I materiali isolanti per PCB più comuni sono l’epossido FR-4, l’epossido di vetro e i materiali rivestiti in parilene. La selezione di ciascun tipo è determinata dall’ambiente applicativo.
Lo strato di isolamento dovrebbe essere il più spesso possibile per la schermatura EMI e per aumentare la durata della scheda. Tuttavia, se è troppo spesso, potrebbe influire sulla qualità delle tracce e dei vias.
Strati del piano di massa– I tipi più comuni di piani di massa sono rame e nichel. La selezione di ciascun tipo è determinata dai requisiti di progettazione e dal tipo di maschera di saldatura.
Lo spessore del piano di massa dovrebbe essere compreso tra 0,1 mm e 0,25 mm. Un piano di massa più spesso funzionerà meglio, ma aumenterà anche le dimensioni della scheda.
Conclusione
In questo post del blog, hai imparato cosa significa il termine “stackup del PCB” quando si riferisce ai PCB. Abbiamo anche introdotto i design dello stackup del PCB e perché sono importanti per il tuo progetto. In caso di problemi di progettazione elettronica, non esitare a contattarci.
