Conocimientos esenciales para el diseño de PCB de múltiples capas: una guía completa

El diseño de PCB de múltiples capas es la columna vertebral de la electrónica moderna, lo que permite diseños compactos y de alto rendimiento que alimentan teléfonos inteligentes, vehículos eléctricos, dispositivos médicos e infraestructura 5G.A diferencia de los PCB mono o de doble capa, las placas de múltiples capas (440+ capas) apilar capas conductoras de cobre con dieléctricos aislantes, reduciendo el tamaño del dispositivo en un 40~60% al tiempo que aumenta la velocidad de la señal y el manejo de la energía.Diseñarlos requiere dominar habilidades especializadas.: desde la optimización de las capas hasta la reducción de los EMI.

Se prevé que el mercado mundial de PCB de múltiples capas alcance los 85,600 millones de dólares para el año 2028 (Grand View Research), impulsado por la demanda de vehículos eléctricos y 5G.Los ingenieros deben dominar los principios básicos que aseguran la fiabilidadEsta guía desglosa los conocimientos esenciales para el diseño de PCB de múltiples capas, con estrategias prácticas, comparaciones basadas en datos,y las mejores prácticas adaptadas a las normas de fabricación estadounidenses.

Las cosas que hay que aprender
1Diseño de acumulación de capas: Una acumulación bien diseñada (por ejemplo, 4 capas: señal-granja-potencia-señal) reduce el EMI en un 30% y mejora la integridad de la señal para rutas de 25Gbps +.
2.Planos de tierra/potencia: los planos dedicados reducen la impedancia en un 50%, evitando las caídas de voltaje y el crosstalk, críticos para los inversores EV y los dispositivos médicos.
3Integridad de la señal: el enrutamiento de pares diferenciales y el control de impedancia (50Ω/100Ω) reducen los reflejos de la señal en un 40% en los diseños de alta velocidad.
4.DFM Cumplimiento: Siguiendo las reglas IPC-2221 reduce los defectos de fabricación del 12% al 3%, reduciendo los costos de reelaboración en $ 0.50$ 2.00 por tablero.
5Herramientas de simulación: el uso temprano de simuladores de señal/termicos (por ejemplo, HyperLynx) detecta el 80% de los defectos de diseño antes de la creación de prototipos.

Fundamentos del diseño de PCB de múltiples capas
Antes de sumergirse en el diseño, los ingenieros deben dominar los conceptos fundamentales que dictan el rendimiento y la fabricabilidad.

1. Capas de acumulación: La base del rendimiento
La colocación (disposición de las capas de cobre y dieléctrica) es la elección de diseño más crítica, ya que afecta directamente a la integridad de la señal, la gestión térmica y la EMI.Una mala acumulación puede hacer que incluso el mejor enrutamiento sea inútil..

Mejor práctica: para diseños de alta velocidad (> 10Gbps), emparejar cada capa de señal con un plano de tierra adyacente para crear una ruta de retorno de baja impedancia.

2Diseño del plano de tierra y de potencia
Los planos de tierra y de potencia no son “después de pensar”, son componentes activos que estabilizan las señales y la entrega de energía:

1- Los planos de tierra:
a. Proporcionar un voltaje de referencia uniforme para las señales, reduciendo el ruido en un 40%.
b. Actúan como dispersores de calor, reduciendo las temperaturas de los componentes en 15 °C en los diseños densos.
c.En el caso de las placas multicapa, utilizar planos de tierra divididos únicamente cuando sea necesario (por ejemplo, separando los planos analógicos/digitales) para evitar la creación de "islas" que atrapen el ruido.
2- Los aviones de potencia:
a. Proporciona un voltaje estable a los componentes, evitando caídas que causen errores lógicos.
b. Colocar los planos de potencia directamente debajo de los planos de tierra para formar un efecto de condensador, reduciendo el EMI en un 25%.
c.Utilizar múltiples planos de potencia para sistemas de múltiples voltajes (por ejemplo, 3.3V y 5V) en lugar de enrutamiento de energía a través de trazas. Esto reduce la caída de voltaje en un 60%.

Estudio de caso: un BMS Tesla Model 3 utiliza dos planos de tierra y tres planos de potencia para manejar 400V DC, reduciendo las fallas relacionadas con la energía en un 30% en comparación con un diseño de 4 capas.

3Selección de materiales: ajuste del diseño al medio ambiente
Los PCB de múltiples capas dependen de materiales que equilibran el rendimiento térmico, eléctrico y mecánico.

Consideración crítica: emparejar el coeficiente de expansión térmica (CTE) de los materiales con los componentes (por ejemplo, los chips de silicio tienen un CTE de 2,6 ppm/°C).que conduce a fallas en las juntas de soldadura.

Estrategias de colocación de componentes
La colocación de los componentes es más que "piezas de montaje", tiene un impacto directo en la gestión térmica, la integridad de la señal y la fabricabilidad.

1Gestión térmica: prevención de los puntos críticos
El sobrecalentamiento es la causa número uno de fallas de PCB de múltiples capas.

a.Componentes calientes de grupo: Coloque piezas de alta potencia (por ejemplo, IGBT, reguladores de voltaje) cerca de disipadores de calor o vías de flujo de aire. Por ejemplo, los IGBT de un inversor EV deben estar a menos de 5 mm de una matriz térmica vía.
b.Utilizar vías térmicas: perforar vías llenas de cobre de 0,3 ∼0,5 mm debajo de componentes calientes para transferir calor a los planos internos del suelo.
c.Evitar la aglomeración: dejar 2 ¢ 3x la altura del componente entre las partes de alta potencia para evitar la acumulación de calor.

2Integridad de la señal: posicionamiento para velocidad
Las señales de alta velocidad (> 1 Gbps) son sensibles a la colocación, incluso las distancias pequeñas pueden causar pérdida de señal:

a.Reduce las longitudes de trazabilidad: coloca los componentes de alta velocidad (por ejemplo, módems 5G, FPGA) cerca unos de otros para mantener las trazas < 5 cm. Esto reduce la atenuación de la señal en un 30% a 28 GHz.
b.Aislar los componentes ruidosos: separar las partes digitales (ruidosas) (por ejemplo, microprocesadores) de las partes analógicas (sensibles) (por ejemplo, sensores) por ≥ 10 mm. Utilice un plano de tierra entre ellas para bloquear la EMI.
c. Alinearse con vías: Coloque componentes sobre vías para minimizar el enrutamiento de trazas, lo que reduce el número de "curvas" que causan picos de impedancia.

3Distribución de energía: Voltagem de estabilización
La mala colocación de la energía conduce a caídas de voltaje y ruido.

a.Condensadores de desacoplamiento: Coloque condensadores cerámicos de 0,1μF a 2 mm de los pines de alimentación del IC. Esto filtra el ruido de alta frecuencia y evita picos de voltaje.utilizar un condensador por pin de alimentación.
b.Proximidad del plano de potencia: Asegúrese de que los planos de potencia cubran el 90% del área bajo los componentes que absorben alta corriente (por ejemplo, 1A +).
c.Evitar la potencia de Daisy-Chaining: no envía la energía a varios componentes a través de un solo trazado. Utilice el plano de potencia para entregar el voltaje directamente, reduciendo la caída en un 50%.

Técnicas de enrutamiento para PCB de múltiples capas
El enrutamiento transforma una colocación en un circuito funcional. El dominio de técnicas como el enrutamiento de pares diferenciales y el control de impedancia no es negociable.

1. Enrutamiento por pares diferenciales: para señales de alta velocidad
Los pares diferenciales (dos trazas paralelas que transportan señales opuestas) son esenciales para los diseños de 10Gbps+. Siga estas reglas:

a.Duración igual: coinciden con las longitudes de traza dentro de ± 0,5 mm para evitar sesgos (diferencias de tiempo).
b. Espaciamiento constante: mantener las huellas separadas 0,5×1x la anchura de las huellas (por ejemplo, 0,2 mm de espaciamiento entre las huellas de 0,2 mm) para mantener la impedancia (100Ω para los pares diferenciales).
c.Evitar el estocamiento: no agregue “stubs” (segmentos de traza no utilizados) a los pares diferenciales “stubs” causan reflejos de la señal que aumentan el BER (tasa de error de bits) en un 40%.

2Control de impedancia: coincidencia de señales con cargas
El desajuste de la impedancia (por ejemplo, un rastro de 50Ω conectado a un conector de 75Ω) causa reflejos de la señal que degradan el rendimiento.

a.Ancho/espesor de las huellas: Utilice huellas de cobre de 0,2 mm de ancho y 1 oz en FR4 (con un dieléctrico de 0,1 mm) para lograr una impedancia de 50Ω.
b.Agrafamiento de capas: ajustar el grosor dieléctrico entre los planos de señal y de tierra. Los dieléctricos más gruesos aumentan la impedancia (por ejemplo, 0,2 mm dieléctrico = 60Ω; 0,1 mm = 50Ω).
c. Pruebas TDR: utilizar un reflectómetro de dominio temporal (TDR) para medir la impedancia de las placas de rechazo con variaciones > ± 10% de las especificaciones de diseño.

Consejo de herramienta: El calculador de impedancia de Altium Designer ajusta automáticamente el ancho de traza y el grosor del dieléctrico para cumplir con la impedancia objetivo, reduciendo los errores manuales en un 70%.

3Mediante la colocación: Minimizar la degradación de la señal
Las vías conectan capas, pero añaden inductancia y capacitancia que dañan las señales de alta velocidad.

a.Utilizar vías ciegas/enterradas: para señales de más de 25Gbps, utilizar vías ciegas (conectar capas externas a internas) en lugar de vías a través de agujeros, lo que reduce la inductancia en un 50%.
b.Limitar el número de vías: cada vía añade ~ 0.5nH de inductancia. Para señales de 40 Gbps, limite las vías a 1 ¢ 2 por vía para evitar la pérdida de señal.
c.Vías de tierra: Coloque una tierra a través de cada 2 mm a lo largo de las pistas de alta velocidad para crear un "escudo" que reduzca el cruce de 35%.

Reglas y controles de diseño
El omitir las reglas de diseño conduce a defectos de fabricación y fallas en el campo.

1- Despeje y arrastre: la seguridad primero.
El espacio libre (espacio de aire entre conductores) y el flujo (camino a lo largo del aislamiento) evitan los arcos eléctricos, críticos para los diseños de alto voltaje.

Ajuste ambiental: en ambientes húmedos o polvorientos, aumente el deslizamiento en un 50% (por ejemplo, 0,45 mm para 50-250 V) para evitar la ruptura del aislamiento.

2DFM (diseño para la fabricación): evitar los dolores de cabeza de la producción
El DFM garantiza que su diseño pueda ser construido de manera eficiente.

a. Espaciado de cobre: Mantener un espacio ≥ 0,1 mm entre los elementos de cobre para evitar cortocircuitos durante el grabado.
b.Tamaños del taladro: Utilice tamaños de taladro estándar (0,2 mm, 0,3 mm, 0,5 mm) para reducir los costos de herramientas.
c. Pads de alivio térmico: Utilice pads con ranuras para componentes de alta potencia (por ejemplo, TO-220) para evitar que la unión de soldadura se agriete durante el reflujo.

3Normas de la industria: satisfacer los requisitos mundiales
El cumplimiento asegura que su PCB sea seguro, confiable y comercializable.

Técnicas avanzadas para diseños de alto rendimiento
Para los diseños de 25Gbps+ o de alta potencia, el enrutamiento básico no es suficiente. Utilice estas estrategias avanzadas:

1Enrutamiento de alta velocidad: Minimizando las distorsiones
a. Evite ángulos de 90°: utilice ángulos de 45° o trazas curvas para reducir los picos de impedancia. Los ángulos de 90° causan un 10% más de reflexión de la señal.
b.Duración de trazabilidad controlada: para las interfaces de memoria (por ejemplo, DDR5), coincidir con las longitudes de trazabilidad con una precisión de ± 0,1 mm para evitar el sesgo de tiempo.
c.Escudo: traza trayectorias de alta velocidad entre dos planos de tierra (un diseño de "microstrip" para bloquear la EMI) lo que reduce las emisiones radiadas en un 40%.

2Reducción de los EMI: control del ruido
a.Sutión del plano de tierra: Conecte los planos interiores del suelo con vías cada 10 mm para crear una jaula de Faraday que atrape la EMI.
b.Perlas de ferrita: se añaden perlas de ferrita a las líneas eléctricas de componentes ruidosos (por ejemplo, microprocesadores) para bloquear el ruido de alta frecuencia (> 100 MHz).
c.Rotura de pares de diferenciales: Rotular pares de diferenciales (1 torsión por cm) para el enrutamiento de tipo cable, lo que reduce la captación de EMI en un 25%.

3Simulación: Validación antes de la creación de prototipos
Las simulaciones detectan fallas temprano, ahorrando $1,000+ por iteración del prototipo.

Errores comunes a evitar
Incluso los ingenieros experimentados cometen estos costosos errores:

1.Saltando la simulación térmica:
a.Error: Suponiendo que los componentes pequeños no se sobrecalentaran.
b.Consecuencia: el 35% de las fallas en el campo están relacionadas con el calor (informe IPC).
c. Corrección: Simulación del rendimiento térmico de todos los componentes > 1 W.

2Ignorando la continuidad del plano de tierra:
a.Error: Crear aviones de tierra divididos sin conexiones adecuadas.
b.Consecuencia: los reflejos de la señal aumentan en un 50%, causando pérdida de datos.
c. Solucionar: utilizar vías de tierra para conectar planos separados; evitar las islas de tierra flotantes.

3Documentación de fabricación incompleta:
a.Error: Envío únicamente de ficheros Gerber (sin guías de perforación ni notas de fabricación).
b.Consecuencia: el 20% de los retrasos en la fabricación se deben a la falta de documentos (Encuesta de fabricantes de PCB).
c. Corrección: Incluir archivos de perforación, dibujos de fabricación e informes de DFM.

Herramientas y software para el diseño de PCB de múltiples capas
Las herramientas adecuadas agilizan el diseño y reducen los errores:

LT CIRCUIT's experiencia en el diseño de PCB de múltiples capas
LT CIRCUIT se especializa en la solución de retos complejos de múltiples capas, centrándose en:

a. Integridad de la señal: utiliza algoritmos de enrutamiento patentados para mantener una impedancia de 50Ω/100Ω ± 5% para señales de 40Gbps.
b.Custom Stack-Ups: Diseña tableros de 420 capas con materiales como Rogers RO4350 para 5G y poliimida para aplicaciones flexibles.
c. Pruebas: Valida cada tabla con TDR, imágenes térmicas y pruebas de sonda voladora para garantizar el cumplimiento.

Estudio de caso: LT CIRCUIT diseñó un PCB de 8 capas para una estación base 5G, logrando una pérdida de señal de 28GHz de 1.8dB/pulgada un 30% mejor que los promedios de la industria.

Preguntas frecuentes sobre el diseño de PCB de múltiples capas
P: ¿Cuál es el número mínimo de capas para un PCB 5G?
R: 6 capas (señales-señales-potencia-señales) con el sustrato RO4350 de Rogers, menos capas causan una pérdida excesiva de señal (> 2,5 dB/pulgada a 28 GHz).

P: ¿Cómo puedo elegir entre vías ciegas y vías perforadas?
R: Utilice vías ciegas para señales de 25 Gbps + (reducción de la inductancia) y vías a través de agujeros para conexiones de energía (5A +).

P: ¿Por qué es importante el DFM para los PCB de múltiples capas?
R: Las tablas de múltiples capas tienen más puntos de falla (vias, laminación).

P: ¿Qué herramientas ayudan con el control de impedancia?
R: El calculador de impedancia de Altium y la herramienta de diseño SiP de Cadence ajustan automáticamente el ancho/dielectrico del trazo para cumplir con la impedancia objetivo.

P: ¿Cómo apoya LT CIRCUIT los diseños multicapa de alta velocidad?
R: LT CIRCUIT proporciona optimización de la pila, simulación de la integridad de la señal y pruebas de postproducción, garantizando que las señales de 40Gbps cumplan con los requisitos del diagrama ocular.

Conclusión
Dominar el diseño de PCB de múltiples capas requiere una combinación de conocimientos técnicos, estrategia práctica y dominio de las herramientas.confiabilidadAl seguir los estándares de la industria, evitar errores comunes y aprovechar herramientas avanzadas,Los ingenieros pueden diseñar PCB de múltiples capas que alimentan la próxima generación de electrónica, desde teléfonos inteligentes 5G hasta vehículos eléctricos..

Para proyectos complejos, asociarse con expertos como LT CIRCUIT asegura que su diseño cumpla con los más estrictos estándares de rendimiento y fabricabilidad.Los PCB de múltiples capas se convierten en una ventaja competitiva, no un desafío de diseño.