I. Descripción general de la determinación del recuento de capas de PCB

El número total de capas de PCB no se fija al principio. Los ingenieros deciden el número de capas en función de las necesidades de la placa. El total de capas se obtiene a partir del número de capas de señal más el número de planos de potencia y tierra. Los ingenieros estudian la disposición de la placa, los tipos de componentes y las necesidades eléctricas. A continuación, planifican cuántas capas de señal se necesitan y cuántas capas de alimentación/tierra. El objetivo del plan es facilitar el enrutamiento, controlar la calidad de la señal y cumplir los límites de coste.

II. Planificación de las capas de potencia y de tierra

A. Cómo elegir el número de capas de potencia

El número de planos de alimentación viene determinado principalmente por los siguientes factores: cuántos raíles de alimentación necesita la placa, cómo están repartidos por la placa, cuánta corriente debe transportar cada raíl, cuáles son los objetivos de rendimiento de la placa y los límites de coste de una sola placa. Hay que elegir el número de planos de alimentación para que cada carril de alimentación principal tenga un plano adecuado o un área de plano bien definida. También debes asegurarte de que los planos de alimentación no se solapan de forma que se produzcan interferencias o se creen planos divididos que perjudiquen el rendimiento.

Hay dos reglas importantes para el diseño del plano de potencia:

Las redes de alimentación no deben mezclarse en el mismo plano de forma que causen interferencias. En resumen, evite las redes de alimentación intercaladas en un mismo plano físico.

Evite que las señales importantes atraviesen divisiones en planos adyacentes. Si una señal debe cruzar una división, el plano de referencia de la señal puede romperse. Esto rompe las vías de corriente de retorno y perjudica la integridad de la señal. Por tanto, organice las pilas de planos de modo que las señales importantes no crucen divisiones.

B. Cómo elegir el número de capas de tierra

Cuando coloques capas de tierra, presta atención a estos puntos:

La capa situada justo debajo del lado del componente principal debe tener un plano de tierra casi continuo. Esto ayuda a devolver la corriente y reduce el ruido para las partes en el lado superior.

Las señales de alta velocidad, las redes de alta frecuencia y las redes de reloj deben hacer referencia a un plano de tierra sólido. Su corriente de retorno fluye por ese plano. Si el plano se rompe, las señales reciben ruido y EMI.

Los planos de potencia principales y los planos de tierra deben estar cerca y bien acoplados. Un acoplamiento estrecho reduce la impedancia del plano y favorece la integridad de la alimentación. La baja impedancia ayuda a mantener bajo el rizado y proporciona una alimentación estable a los circuitos integrados.

En la práctica, un diseño con muchas redes rápidas necesitará más planos de tierra o, al menos, un par de planos de potencia y tierra cercanos entre sí. Así se consigue un mejor desacoplamiento y un control más sencillo de la impedancia.

III. Planificación del número de capas de señales

A. Canales de enrutamiento y por qué son importantes

Los canales de enrutamiento suelen decidir cuántas capas de señal se necesitan. Empiece por buscar BGA profundos o conectores grandes en la placa. La profundidad del BGA y el paso de los pines del BGA son clave para determinar cuántas capas de escape necesita. Por ejemplo, un BGA con paso de 1,0 mm suele permitir dos trazas entre dos vías. Un BGA con un paso de 0,8 mm a menudo sólo permite una traza entre dos vías. Esa diferencia cambia el número de capas de enrutamiento que debe tener.

Si un BGA permite dos trazas entre dos vías, el escape BGA puede compartir dos capas de enrutamiento. Si un BGA sólo permite una traza entre dos vías, el escape puede necesitar hasta cuatro capas de enrutamiento para enrutar todas las redes. Por tanto, el paso de la BGA y la geometría del fanout son fundamentales para la planificación de las capas.

Los conectores son diferentes. En el caso de los conectores, el factor principal es la profundidad y la separación entre patillas. Normalmente, entre dos vías de conector se encamina un par diferencial. Esta regla empírica te ayudará a calcular cuántos canales necesitas para las regiones de conectores.

B. Redes de alta velocidad y necesidades de canales de encaminamiento

A continuación, considere alta velocidad señales. El encaminamiento de alta velocidad requiere más condiciones. Hay que pensar en los stubs, el espaciado de las trazas y los planos de referencia. Las redes de alta velocidad son sensibles al control de la impedancia y a la corriente de retorno. Por lo tanto, comprueba si los canales de enrutamiento para esas redes son lo suficientemente anchos y despejados.

Al planificar, identifique qué redes son de alta velocidad. Déles prioridad en el encaminamiento. Reserve canales que permitan un espaciado adecuado y una impedancia controlada. Tenga en cuenta también los pares diferenciales. Las líneas diferenciales necesitan longitudes adaptadas y un acoplamiento firme a su referencia. En el caso de los pares de alta velocidad, hay que mantener una distancia constante al plano de referencia y alejar los pares de redes ruidosas.

C. Zonas estrechas o de embotellamiento

Por último, planifique las zonas de cuello de botella de la placa. Tras la planificación básica de la colocación y el encaminamiento global, busque regiones estrechas en las que muchas redes deban pasar por un pequeño hueco. Se trata de puntos de estrangulamiento. Para cada cuello de botella, cuente el número de trazas, pares diferenciales y redes sensibles necesarios. A continuación, decida el número de capas necesarias para que todas las líneas requeridas puedan pasar por esta zona.

Hazlo paso a paso:

Marque la región del cuello de botella.

Enumera todas las redes que deben pasar por él.

Incluya en la lista los pares diferenciales y las señales críticas.

Calcula el número de vías que caben por capa de encaminamiento en ese hueco.

Multiplique por el número de capas de enrutamiento que puede utilizar para esa zona.

Esto da el número total de vías que pueden pasar. Si ese número es inferior al de redes necesarias, añade capas de enrutamiento o cambia la colocación para reducir la congestión.

IV. Ejemplos y reglas prácticas

A. Ejemplos de escapes BGA

Si puede enrutar dos trazas entre dos vías en un BGA, a menudo puede utilizar dos capas de enrutamiento para el escape del BGA. Este es un caso común para los paquetes BGA de paso de 1,0 mm.

Si sólo puede enrutar una traza entre dos vías, es posible que necesite cuatro capas de enrutamiento para enrutar todos los pines BGA. Esto suele ocurrir con los BGA de paso más estrecho, como los de 0,8 mm.

B. Ejemplo de enrutamiento de conectores

Para muchos conectores, suponga que puede enrutar un par diferencial por cada dos vías. Utilícelo para dimensionar los canales de enrutamiento cerca del conector. Si el conector tiene muchas vías, necesitará más capas de enrutamiento o una huella de conector diferente.

C. Ejemplo de señal de alta velocidad

Para un par diferencial MIPI o USB, debe mantener el par cerca de su plano de referencia y mantener el espaciado del par y el ancho de la traza correctos para la impedancia objetivo. Si el canal de enrutamiento es estrecho, es posible que necesites más capas para mantener el diseño limpio y cumplir los objetivos de impedancia.

V. Más sobre la planificación de la integridad de la señal y la fabricabilidad

A. Mantener la ruta de retorno corta y local

Planifique siempre las capas de señal de forma que la corriente de retorno pueda fluir por un plano de tierra cercano. Cuando una capa de señal está junto a un plano de tierra, la trayectoria de retorno es corta y la EMI es baja. Si coloca una capa de señal entre dos planos mezclados o cerca de un plano dividido, la ruta de retorno no es local. Esto provoca más EMI y puede dañar la integridad de la señal.

B. Cuidado con los planos divididos y las costuras

Si debe dividir un plano, dirija las señales sensibles de modo que no crucen la división. Si una red de alta velocidad debe cruzar una división de plano, proporcione una vía de retorno clara o una costura para mantener la coherencia de la ruta de retorno. Utilice cosidos de vías y vías de tierra cerca de los bordes de las divisiones para reducir el área de bucle.

C. Mantenga los pares de potencia/tierra cerca en el apilamiento

Cuando se coloca un plano de potencia junto a un plano de tierra, el par forma un condensador. Esto ayuda a desacoplar la potencia y reducir la impedancia del plano. Esto es muy útil para la integridad de la potencia. Si tienes varios carriles de alimentación, intenta agruparlos en pilas emparejadas o utiliza planos divididos solo cuando controles el enrutamiento para evitar largos caminos de retorno.

D. Considerar las normas de fabricabilidad desde el principio

Establezca los límites DFM al inicio. Especifique la anchura mínima de la traza, la separación mínima entre trazas, el anillo anular mínimo y el tamaño mínimo del taladro. Haga coincidir sus reglas de diseño con lo que la fábrica puede hacer de forma fiable. Si planea trazas muy finas o vías muy pequeñas, compruebe si el proveedor puede manejarlas y cómo cambiará el coste.

VI. Cálculo más detallado del cuello de botella

A. Cómo contar carriles en un hueco

Mida la anchura del hueco en la región del cuello de botella.

Utilice la anchura y el espaciado de traza previstos para calcular cuántas pistas de un solo extremo caben en una capa. Para pares diferenciales, cuenta cuántos pares caben en función del paso del par.

Tenga en cuenta las zonas de retención y las vías que bloquean las pistas. Reduzca la anchura útil en función del espacio ocupado por los campos de vías o los orificios mecánicos.

B. Decidir el recuento de capas a partir de la capacidad de huecos

Si una capa puede transportar las vías necesarias, no hay problema.

Si no es así, añada otra capa de enrutamiento y vuelva a comprobarlo.

Si no es posible añadir capas, considere la posibilidad de mover piezas, cambiar el conector o cambiar la estrategia de fanout BGA.

VII. Ponerlo todo junto - flujo práctico para la planificación de capas

Etapa 1 Enumerar las limitaciones y los objetivos

Haz una lista corta: número de BGAs y su paso, número de conectores, número de redes de alta velocidad, lista de carriles de alimentación, objetivos de rendimiento y objetivo de coste.

Paso 2. Esbozar un apilamiento preliminar

Empieza con los planos de potencia y tierra necesarios cerca del centro. Coloca capas de señal a su alrededor. Utiliza pares de alimentación/tierra donde necesites baja impedancia.

Paso 3. Compruebe las necesidades de escape de BGA

Compruebe cada BGA. Si necesita más vías de escape, añada capas de señal o cambie la huella de la BGA.

Paso 4. Comprobar los canales de enrutamiento de alta velocidad

Marque todas las redes de alta velocidad. Resérveles canales de enrutamiento. Si los canales son estrechos, añada capas o cambie la colocación.

Paso 5. Comprobar los cuellos de botella

Cuenta la capacidad de cada hueco estrecho. Si la capacidad no es suficiente, añade capas o mueve cosas.

Etapa 6. Finalizar el apilamiento y las reglas

Arregla el apilamiento. Establece la anchura de las trazas, el espaciado y los objetivos de impedancia. Asegúrate de que el diseño se ajusta a DFM.

Paso 7. Validación con los ingenieros y el fabricante

Revise el apilamiento con el fabricante de la placa de circuito impreso y con los ingenieros de integridad de la señal. Solicite comentarios y ajustes.

VIII. Breve resumen

La planificación de capas es una mezcla de necesidades eléctricas y enrutamiento práctico. Se planifican las capas de potencia y tierra para que la potencia sea estable y las vías de retorno cortas. Las capas de señal se planifican en función de los canales de enrutamiento, el paso de BGA, la profundidad del conector y las zonas de cuello de botella. Si se planifica bien, el encaminamiento será más fácil y fiable. Desde un punto de vista sencillo, el diseño de PCB es como construir un edificio alto. El plano de capas es el dibujo. Si el dibujo es correcto, la construcción va sobre ruedas.