Ao projetar placas de circuito impresso, você precisa levar em consideração como cada camada da placa afetará as outras. Se você estiver projetando uma placa de dupla face, por exemplo, é importante saber quais camadas ficarão acima ou abaixo umas das outras para que você possa fazer os ajustes necessários em seu projeto.
Este guia ajudará você a entender o que é empilhamento de PCB, regras de projeto de empilhamento e que tipo de efeitos as diferentes camadas têm no produto final.
O que é empilhamento de PCB?
A pilha de placas de circuito impresso é o arranjo de camadas de diferentes materiais em uma placa de circuito impresso (PCB). Uma pilha típica de placas de circuito impresso consistirá em uma camada de cobre, uma camada de isolamento, um plano de aterramento e uma camada de sinal. Uma pilha de PCB tem efeito sobre várias propriedades de uma placa de circuito impresso, incluindo desempenho térmico, desempenho de interferência eletromagnética (EMI), resposta a tensão e deformação e integridade do sinal.
Camadas de cobre
Existem dois tipos de camadas de cobre: internas e externas. As camadas internas de cobre são usadas para conectar componentes entre si, enquanto as camadas externas são usadas para conexões com dispositivos externos. A espessura das camadas de cobre também é importante. A espessura deve ser de 1 oz para as camadas internas e 2 oz para as camadas externas. O cobre mais fino pode afetar o desempenho do circuito e ser difícil de rotear. O cobre mais espesso é mais robusto, mas também aumenta o custo da placa. A espessura do cobre deve ser selecionada com base nos requisitos do projeto. Por exemplo, a espessura do cobre deve ser pelo menos 0,01 mm mais larga do que a largura do traço maior.
Camadas de sinal
As camadas de sinal são utilizadas para transportar sinais digitais de alta velocidade, tais como sinais de dados e de relógio. Os dois tipos mais comuns de camadas de sinal são as camadas simples e as camadas diferenciais. As camadas simples são utilizadas para transportar um único sinal. Não existe referência de terra, pelo que o sinal é vulnerável ao ruído. As camadas diferenciais são utilizadas para transportar múltiplos sinais com uma referência de terra. Este é o tipo de camada mais comum e é ideal para circuitos RF e comunicações de alta velocidade. A espessura das camadas de sinal deve ser de 0,5 oz ou 1 oz. A espessura da camada é determinada pela largura dos traços. Os traços devem ser pelo menos 0,004 mm mais largos do que a largura do traço.
Camadas isolantes
As camadas isolantes são utilizadas para isolar as camadas de cobre e evitar curtos-circuitos elétricos. Os dois tipos mais comuns de camadas isolantes são o epóxi FR-4 e o epóxi de vidro. Epóxi FR-4 – O epóxi FR-4 é um material de alta qualidade com excelentes propriedades para utilização em PCB, incluindo excelentes propriedades térmicas e mecânicas. Este é o material isolante mais utilizado. Épóxi de vidro – O épóxi de vidro é um material isolante de altíssima qualidade. É comumente usado para placas de alta qualidade. O épóxi de vidro é mais caro que o FR-4, mas pode valer a pena o custo para placas críticas. A espessura das camadas isolantes deve ser de 1,5 mm. A espessura da camada é determinada pela largura dos traços. Os traços devem ser pelo menos 0,005 mm mais largos que a largura do traço.
Plano de aterramento
O plano de aterramento de um circuito digital protege-o contra interferências eletromagnéticas, ao mesmo tempo que funciona como um caminho de retorno para a corrente. O plano de aterramento deve ter 0,25 mm de espessura. A camada do plano de aterramento deve ser 0,005 mm mais larga do que a largura do traço. Uma combinação de cobre-níquel é preferível a uma camada de plano de aterramento apenas de cobre devido à sua capacidade de blindagem, embora seja mais cara e menos condutora. Uma camada única de cobre é menos condutora e mais suscetível à corrosão, mas é mais barata e fácil de obter.
Empilhamento recomendado de PCB
Empilhamento de PCB de 4 camadas
A pilha de placas de circuito impresso de 4 camadas recomendada abaixo baseia-se na experiência do setor e em pesquisas extensas. Essa pilha é suficientemente genérica para ser usada com vários tipos de PCBs.
Camada superior de cobre – Espessura do cobre: 1 oz, Material da máscara de solda: FR-4, Espessura do níquel: 1 oz ou 2 oz;
Camada inferior de cobre – Espessura do cobre: 1 oz, Material da máscara de solda: FR-4, Espessura do níquel: 1 oz ou 2 oz;
Camada isolante – 1,5 mm de poliimida, Rigidez dielétrica: 3000 V/mil;
Plano de aterramento – cobre de 0,25 mm, rigidez dielétrica: 3000 V/mil.
Empilhamento de PCB de 6 camadas
Para projetos com alta densidade de chips e alta frequência de clock, deve-se considerar o projeto de placas de 6 camadas. O método recomendado de empilhamento de placas de circuito impresso de 6 camadas é mostrado na figura a seguir:
Este método de empilhamento permite obter uma melhor integridade do sinal, a camada de sinal é adjacente à camada de terra, a camada de alimentação e a camada de terra são emparelhadas, a impedância de cada camada de traço pode ser bem controlada e ambas as camadas de terra absorvem bem as linhas do campo magnético. E, no caso de uma fonte de alimentação completa e camada de terra, pode proporcionar um melhor caminho de retorno para cada camada de sinal.
Empilhamento de PCB de 8 camadas
Placas PCB de 8 camadas são normalmente utilizadas em sistemas de alta velocidade e alto desempenho. Algumas dessas camadas são utilizadas para planos de alimentação ou terra, que geralmente são planos sólidos sem divisões. Este método utiliza um plano de referência de terra multicamadas, que tem uma capacidade muito boa para minimizar a quantidade e os efeitos da EMI.
A estrutura de 8 camadas é a seguinte:
Camada superior – Sinal 1: superfície do componente, camada de roteamento microstrip, boa camada de roteamento;
2ª camada – Plano de aterramento: melhor capacidade de absorção de ondas eletromagnéticas;
3ª camada – Sinal 2: camada de roteamento Stripline, boa camada de roteamento;
4ª camada – Camada de alimentação: constitui excelente absorção eletromagnética com as camadas subjacentes;
5ª camada – Plano de terra;
6ª camada – Sinal 3: camada de roteamento stripline, boa camada de roteamento;
7ª Camada – Plano de Terra: melhor capacidade de absorção de ondas eletromagnéticas;
8ª Camada – Sinal 4: camada de roteamento microstrip, boa camada de roteamento.
Regras de projeto de empilhamento de PCB
O projeto de empilhamento de PCB está relacionado aos requisitos de função do circuito, integridade do sinal, EMI, EMC, custo de fabricação, etc. Com base nisso, resumimos essas regras de projeto para sua referência.
1. Utilização de estrutura de camadas pares
Nossa experiência anterior em design de circuitos sugere que o design de empilhamento é quase sempre uma estrutura de camadas pares, e não ímpares.
- Economia de custos
O custo de processamento de PCBs de camadas ímpares é significativamente mais alto do que o de PCBs de camadas pares. Isso porque a placa de circuito ímpar precisa adicionar uma camada laminada ao processo de estrutura da camada central.
- Evite dobrar a placa de circuito
Uma tensão de laminação incomum pode resultar na flexão da placa. À medida que a espessura da placa aumenta, também aumenta o risco de flexão. Uma placa de circuito com camadas ímpares é fácil de dobrar, enquanto uma placa de circuito impresso com camadas pares evita a flexão.
2. Determinação do roteamento e das vias
As direções de fiação na mesma camada de sinal devem ser consistentes e ortogonais às direções nas camadas de sinal adjacentes. Por exemplo, a direção de fiação em uma camada de sinal pode ser definida como a direção do "eixo Y", e a direção de fiação em uma camada de sinal adjacente pode ser definida como a direção do "eixo X".
3. Escolhendo a disposição das camadas
- É importante estabelecer o posicionamento adequado das camadas ao usar a tecnologia microstrip.
- Encaminhe sinais de alta velocidade em microstrips de espessura mínima e coloque as camadas de sinal próximas às camadas de alimentação para obter um acoplamento forte.
- As camadas de alimentação e terra devem ser espaçadas o mais próximo possível.
- É importante manter as camadas de sinal separadas.
4. Selecione Traços de Sinal Curtos
As camadas superior e inferior de uma PCB multicamadas são normalmente utilizadas para posicionar componentes e um pequeno número de traços de sinal. Estes traços de sinal não devem ser demasiado longos, de modo a reduzir a radiação direta por eles gerada.
5. capacitores de desacoplamento
Ao projetar uma placa de circuito impresso (PCB), é importante usar capacitores de desacoplamento para garantir o fornecimento adequado de energia. Apenas os planos superior e inferior devem servir como locais para capacitores de desacoplamento. A eficiência desses capacitores depende em grande parte da qualidade dos traços, almofadas e vias associados. Para garantir o funcionamento adequado, os fios devem ser os mais curtos possíveis e as vias devem estar o mais próximas possível.
Opções de materiais e espessura para empilhamento de PCB
Como introdução acima, sabemos que existem três componentes principais que compõem uma pilha de PCB: cobre, isolamento e plano de aterramento. A escolha do material e da espessura de cada camada afeta as características de desempenho do produto final.
Camadas de cobre – Existem muitos tipos diferentes de cobre disponíveis. Cada tipo tem uma temperatura de fusão, condutividade elétrica e taxa de expansão térmica diferentes. A escolha do cobre é geralmente determinada pelos requisitos do projeto.
Tenha sempre em mente que quanto mais espessas forem as camadas de cobre, mais robusto será o projeto geral. Mas camadas de cobre mais espessas aumentarão o custo da placa.
Camadas de isolamento – Os materiais isolantes mais comuns para PCB são epóxi FR-4, epóxi de vidro e materiais revestidos com parileno. A seleção de cada tipo é determinada pelo ambiente de aplicação.
A camada isolante deve ser tão espessa quanto possível para blindagem EMI e para aumentar a durabilidade da placa. No entanto, se for muito espessa, poderá afetar a qualidade dos traços e vias.
Camadas do plano de aterramento – Os tipos mais comuns de planos de aterramento são cobre e níquel. A seleção de cada tipo é determinada pelos requisitos de projeto e pelo tipo de máscara de solda.
A espessura do plano de aterramento deve estar entre 0,1 mm e 0,25 mm. Um plano de aterramento mais espesso funcionará melhor, mas também aumentará o tamanho da placa.
Conclusão
Nesta publicação do blog, você aprendeu o que significa o termo "empilhamento de PCB" quando se refere a PCBs. Também apresentamos projetos de empilhamento de PCB e por que eles são importantes para o seu projeto. Se tiver algum problema relacionado ao projeto eletrônico, entre em contato conosco.
