1. Definición y cuándo añadir capas
Para placas multicapa de alta velocidad, un diseño básico de dos capas a menudo no puede satisfacer las necesidades de calidad de señal y densidad de enrutamiento. En ese caso, es necesario añadir capas al apilamiento de PCB para satisfacer las necesidades del diseño.
2. Planos positivos (señal) y planos negativos (invertidos)
Un plano positivo es la capa de señal habitual utilizada para el encaminamiento. Las partes visibles son trazas de cobre. En un plano positivo puedes hacer grandes vaciados de cobre y rellenar áreas con cobre, por ejemplo usando términos como “traza” o “cobre” para describir las áreas de cobre. Véase la Figura 8-32.
Un plano negativo es lo contrario. Con un plano negativo, por defecto se vierte cobre en toda la capa. Las áreas de enrutamiento son los recortes. No hay cobre en las líneas de enrutamiento. Lo que se hace es tallar el cobre y luego establecer las redes para las áreas talladas. Ver Figura 8-33.
3. División de los planos interiores de potencia/tierra
En las versiones antiguas de Protel, los planos de potencia interiores se dividían mediante una función “dividir”. En versiones actuales como Altium Designer 19, se divide dibujando “líneas” y se utiliza la tecla de acceso rápido “PL” para colocarlas. Las líneas de división no deben ser demasiado finas. Puede elegir 15 mil o más. Cuando vierta el cobre después de la división, dibuje un polígono cerrado con la herramienta “línea”, luego haga doble clic dentro del polígono y establezca la red para el vertido de cobre. Véase la figura 8-34.
Tanto los planos positivos como los negativos pueden utilizarse para capas internas de potencia o de masa. También se puede conseguir un plano interior positivo mediante fresado y vertido de cobre. La ventaja de un plano negativo es que se empieza con una gran área de cobre vertido por defecto. A continuación, puede añadir vías o cambiar el tamaño de las coladas sin tener que volver a colar toda la capa. Esto ahorra tiempo en el recálculo del cobre vertido. Cuando las capas interiores se utilizan como planos de potencia y de tierra (también llamados planos de tierra o planos de retorno), las capas son en su mayoría grandes coladas de cobre. La ventaja de utilizar planos negativos es evidente en este caso.
4. Comprender el apilamiento de placas de circuito impreso
A medida que se generalizan los circuitos de alta velocidad, aumenta la complejidad de las placas de circuito impreso. Para evitar interferencias eléctricas, hay que separar las capas de señal de las de alimentación. Esto lleva al diseño de PCB multicapa. Antes de diseñar una PCB multicapa, el diseñador debe decidir primero la estructura de la placa en función del tamaño del circuito, las dimensiones de la placa y los requisitos de compatibilidad electromagnética (EMC). En otras palabras, debe decidir si va a utilizar una placa de 4, 6 o más capas. Esta es la idea básica del diseño de placas multicapa.
Después de decidir el número de capas, el siguiente paso es colocar las capas internas de alimentación y tierra y decidir cómo distribuir los distintos tipos de señales entre esas capas. Esta elección es la selección del apilado. La estructura del apilamiento es un factor importante que afecta al rendimiento CEM de las placas de circuito impreso. Un buen diseño del apilamiento puede reducir en gran medida las interferencias electromagnéticas (EMI) y la diafonía..
Más capas no siempre es mejor, y menos capas no siempre es mejor. Para elegir un apilamiento multicapa hay que sopesar muchos factores. Desde el punto de vista del trazado, más capas facilitan el trazado. Pero también aumentan el coste y la dificultad de fabricación. En fabricantes, La simetría del apilamiento es una preocupación importante durante la fabricación. Por tanto, el número de capas debe equilibrar todas las necesidades.
Los diseñadores experimentados suelen hacer una precolocación de componentes. A continuación, analizan los cuellos de botella del encaminamiento. Cuentan las necesidades especiales de encaminamiento, como pares diferenciales y redes sensibles. A partir de ahí, deciden cuántas capas de señal son necesarias. A continuación, deciden el número de capas internas de alimentación/tierra en función de los tipos de alimentación, las necesidades de aislamiento y la supresión de interferencias. Una vez hecho esto, el número total de capas de la placa es básicamente fijo.
5. Apilamientos comunes de PCB
Una vez fijado el número de capas, el siguiente trabajo es organizar el orden de esas capas. Las figuras 8-35 y 8-36 muestran apilamientos comunes para placas de 4 y 6 capas.
6. Análisis de apilamiento
¿Cómo apilar? ¿Qué apilamiento es mejor? Sigue estas reglas básicas:
Haga que el lado del componente y el lado de la soldadura sean planos de tierra completos cuando sea posible (esto proporciona apantallamiento).
Evite en la medida de lo posible las capas de enrutamiento paralelas adyacentes.
Coloque todas las capas de señal junto a un plano de tierra siempre que sea posible.
Coloque las señales críticas junto a una capa de tierra y evite cruzar por zonas divididas.
Aplique estas reglas a los ejemplos comunes de apilamiento que se muestran en las Figuras 8-35 y 8-36. El análisis es el siguiente.
(1) La Tabla 8-1 compara los pros y los contras de tres esquemas comunes de apilamiento de placas de 4 capas.
| Esquema | Esquema (ASCII Art) | Ventajas | Desventajas |
|---|---|---|---|
| Esquema 1 | ┌─────────────────────┐ │ PWR01 (Alimentación) │ ├─────────────────────┤ │ SIN02 (Señal) │ ├─────────────────────┤ │ SIN03 (Señal) │ ├─────────────────────┤ │ GND04 (Tierra) │ └─────────────────────┘ | Este esquema está diseñado principalmente para conseguir un efecto de apantallamiento de una sola capa, con el plano de potencia y el plano de tierra situados en las capas superior e inferior respectivamente. | (1) Los planos de potencia y tierra están demasiado separados, lo que provoca una impedancia excesiva en el plano de potencia;(2) Los planos de potencia y tierra están muy incompletos debido a la influencia de las zapatas de los componentes y otros factores;(3) El plano de referencia incompleto provoca trazas de señal discontinuas, lo que dificulta conseguir el efecto de apantallamiento esperado. |
| Esquema 2 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Señal) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (Tierra) │ ├─────────────────────┤ │ PWR03 (Alimentación) │ ├─────────────────────┤ │ SIN04 (Señal) │ └─────────────────────┘ | Se coloca un plano de tierra bajo el lado del componente, lo que lo hace adecuado para escenarios en los que los componentes principales se colocan en la capa superior o las señales clave se enrutan en la capa superior. | / |
| Esquema 3 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Señal) │ ├─────────────────────┤ │ PWR02 (Alimentación) │ ├─────────────────────┤ │ GND03 (Tierra) │ ├─────────────────────┤ │ SIN04 (Señal) │ └─────────────────────┘ | Similar al esquema 2, es adecuado para escenarios en los que los componentes principales se colocan en la capa inferior o las señales clave se enrutan en la capa inferior. | / |
(2) La Tabla 8-2 compara los pros y los contras de cuatro esquemas comunes de apilamiento de placas de 6 capas.
| Esquema | Esquema (ASCII Art) | Ventajas | Desventajas |
|---|---|---|---|
| Esquema 1 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Señal) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (Tierra) │ ├─────────────────────┤ │ SIN03 (Señal) │ ├─────────────────────┤ │ SIN04 (Señal) │ ├─────────────────────┤ │ PWR05 (Alimentación) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (Señal) │ └─────────────────────┘ | Adopta 4 capas de señal y dos capas internas de alimentación/tierra, lo que proporciona más capas de señal para facilitar el enrutamiento entre componentes. | (1) El plano de potencia y el plano de tierra están demasiado separados, lo que provoca un acoplamiento insuficiente;(2) Las capas de señal SIN03 y SIN04 se encaminan principalmente en capas superficiales, lo que provoca un aislamiento deficiente de la señal y diafonía, y requiere un encaminamiento escalonado. |
| Esquema 2 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Señal) │ ├─────────────────────┤ │ SIN02 (Señal) │ ├─────────────────────┤ │ GND03 (Tierra) │ ├─────────────────────┤ │ PWR04 (Alimentación) │ ├─────────────────────┤ │ SIN05 (Señal) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (Señal) │ └─────────────────────┘ | El plano de potencia y el plano de tierra están totalmente acoplados. | Las capas adyacentes de las capas de señal de superficie también son capas de señal, lo que provoca un aislamiento deficiente de la señal y diafonía. |
| Esquema 3 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Señal) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (Tierra) │ ├─────────────────────┤ │ SIN03 (Señal) │ ├─────────────────────┤ │ GND04 (Tierra) │ ├─────────────────────┤ │ PWR05 (Alimentación) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (Señal) │ └─────────────────────┘ | (1) El plano de potencia y el plano de tierra están totalmente acoplados;(2) Cada capa de señal está directamente adyacente al plano interno de potencia/tierra, lo que proporciona un aislamiento eficaz de otras capas de señal y reduce la diafonía;(3) La capa de señal SIN03 está adyacente a dos planos internos (GND02 y PWR05), lo que puede blindar eficazmente la interferencia externa en SIN03 y la diafonía de SIN03 a otras capas. | / |
| Esquema 4 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Señal) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (Tierra) │ ├─────────────────────┤ │ PWR03 (Alimentación) │ ├─────────────────────┤ │ GND04 (Tierra) │ ├─────────────────────┤ │ PWR05 (Alimentación) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (Señal) │ └─────────────────────┘ | (1) El plano de potencia y el plano de tierra están totalmente acoplados;(2) Cada capa de señal está directamente adyacente al plano interno de potencia/tierra, lo que proporciona un aislamiento eficaz de otras capas de señal y reduce la diafonía. | / |
Si se comparan los esquemas 1 y 4, cuando el rendimiento de la señal es la máxima prioridad, los esquemas 3 y 4 son claramente mejores que los dos primeros. Pero en el diseño de productos reales, el coste es una preocupación importante. Con una alta densidad de enrutamiento, los diseñadores suelen elegir el esquema 1 para el apilamiento con el fin de ahorrar costes. Cuando se utiliza el esquema 1, hay que prestar especial atención a los cruces entre dos capas de señal adyacentes e intentar reducir la diafonía en la medida de lo posible.
(3) Para tarjetas comunes de 8 capas, las opciones de apilamiento recomendadas se muestran en la Figura 8-37. Prefiera la opción 1 o la opción 2. La opción 3 es utilizable.
7. Añadir y editar capas
Después de confirmar el plan de apilamiento, ¿cómo agregar capas en Altium Designer? A continuación se muestra un ejemplo sencillo.
Ejecute el comando de menú “Diseño → Gestor de pilas de capas” o pulse la tecla de acceso directo “DK” para abrir el Gestor de pilas de capas. Configure los parámetros relacionados como se muestra en la Figura 8-38.
Haga clic con el botón derecho y elija “Insertar capa arriba” o “Insertar capa abajo” para añadir una capa. Puede añadir un plano positivo o un plano negativo. Utilice “Mover capa arriba” o “Mover capa abajo” para ajustar el orden de las capas añadidas.
Haga doble clic en el nombre de la capa para cambiarle el nombre. Puedes nombrar las capas TOP, GND02, SIN03, SIN04, PWR05, BOTTOM, etc. Altium Designer 19 soporta esta nomenclatura “letra + número de capa”. Esto facilita la lectura y el reconocimiento.
Ajuste el grosor del tablero y de las capas según el apilado.
Para cumplir el requisito de 20H del diseño, puede establecer la cantidad de retención del plano negativo (desplazamiento interior). [Nota: el texto original utiliza “20H”. El traductor mantiene este término tal como está escrito].
Haga clic en “Aceptar” para finalizar los ajustes de apilamiento. En la Figura 8-39 se muestra un ejemplo de efecto de apilamiento de una tarjeta de 4 capas.
8. Recomendación
Se sugiere tratar las capas de señal como planos positivos y tratar las capas de potencia y tierra como planos negativos. Este enfoque puede reducir en gran medida el tamaño de los datos del archivo y acelerar el trabajo de diseño.
