12 regole per progettare correttamente lo stackup del vostro PCB

La richiesta crescente di prodotti elettronici più compatti richiede PCB con molteplici strati e una prospettiva di progettazione tridimensionale. Questa prospettiva di progettazione aggiunge nuovi problemi alle strategie di progettazione, come l'imballaggio SMD e lo stackup a strati. Lo stackup, o impilaggio di PCB, è cresciuto molto negli ultimi tempi, con la produzione di circuiti stampati sempre più complessi, composti da molti strati. I primi prototipi di PCB erano semplici e servivano solo come base di connessione per i componenti elettronici. Per la loro semplicità, la necessità di impilare più strati era minima. Esaminiamo alcune regole per progettare meglio gli stackup in modo da creare sistemi estremamente professionali.

Lo stackup

Uno stackup è la disposizione di strati di rame e di isolanti che compongono un PCB prima di progettare il layout finale della scheda. Gestire un buono stackup non è esattamente facile e le aziende che realizzano circuiti stampati multistrato come Proto-Electronics, una piattaforma europea dedicata alla prototipazione rapida di circuiti stampati SMT e componenti di sezione trasversale per i professionisti, devono essere all'avanguardia.

Avere più strati (vedi figura 1) aumenta la capacità della scheda di distribuire energia, riduce le interferenze incrociate, elimina le interferenze elettromagnetiche e supporta segnali ad alta velocità. Mentre un livello di stackup permette di ottenere più circuiti elettronici su una singola scheda attraverso i vari strati della scheda PCB, la struttura del design dello stackup PCB offre molti altri vantaggi:

  • una pila di strati di PCB può aiutare a minimizzare la vulnerabilità del circuito ai disturbi esterni, così come a ridurre al minimo le radiazioni e a diminuire l'impedenza e i problemi di diafonia sui sistemi ad alta velocità;
  • un buono stackup dei PCB può anche contribuire a una produzione finale efficiente e a basso costo;
  • una corretta pila di strati di PCB può migliorare la compatibilità elettromagnetica del progetto.

Con un PCB a uno o due strati lo spessore della scheda è raramente considerato. Tuttavia, con l'avvento dei PCB multistrato, la pila di materiali inizia a diventare sempre più critica e il costo finale è il fattore che influenza l'intero progetto. Gli stackup più semplici possono includere PCB a 4 strati, fino a quelli più complessi che richiedono una laminazione sequenziale professionale. Più alto è il numero di strati, più il progettista è libero di dipanare il suo circuito, con meno possibilità di inciampare in soluzioni "impossibili". Le operazioni di sovrapposizione dei PCB consistono nella disposizione degli strati di rame e degli strati isolanti che compongono un circuito. Lo stackup scelto gioca certamente un ruolo importante nella prestazione della scheda in diversi modi.

Una corretta gestione dello stackup permette di ottenere prodotti eccellenti

Una corretta gestione dello stackup permette di ottenere prodotti eccellenti

Ad esempio, una buona stratificazione può ridurre l'impedenza della scheda e limitare le radiazioni e la diafonia. Ha anche un impatto importante sulle prestazioni EMC di un prodotto. D'altra parte, una cattiva progettazione dello stackup può aumentare significativamente la radiazione del circuito e il rumore. Ci sono quattro fattori importanti da considerare quando si gestiscono gli stackup di schede:

  • Numero di strati
  • il numero e il tipo di piani utilizzati (piani di potenza e piani di massa);
  • ordinamento e sequenza dei livelli;
  • spaziatura tra i livelli.

Di solito non si tiene molto conto di questi fattori, a eccezione di quelli che influiscono sul numero di strati. Spesso il quarto fattore non è neppure noto al progettista di PCB. Quando si decide il numero di strati, è necessario considerare quanto segue:

  • il numero di segnali da instradare e il loro costo;
  • la frequenza operativa;
  • se il prodotto soddisferà i requisiti di emissione di classe A o di classe B;
  • se il PCB sarà in un contenitore schermato o non;
  • se il team di progettazione è competente in materia di norme e regolamenti EMC.

 Tutti i fattori sono importanti e critici e dovrebbero essere considerati allo stesso modo. Le schede multistrato che utilizzano il piano di massa e il piano di potenza forniscono una significativa riduzione delle emissioni irradiate. Una regola empirica, spesso utilizzata, è che una scheda a quattro strati produce 15 dB in meno di radiazioni rispetto a una scheda a due strati, a parità di tutti gli altri fattori.

Le regole e i criteri per gestire un buono stackup

Le regole e i criteri per gestire un buono stackup sono centinaia. Vediamone alcune:

  1. le schede del piano di massa sono migliori perché consentono l'instradamento del segnale in configurazione microstrip o stripline. Inoltre riduce significativamente l'impedenza di terra e, quindi, il rumore di fondo;
  2. i segnali ad alta velocità devono essere "instradati" su strati intermedi situati tra i vari livelli. In questo modo, i piani di massa possono fungere da scudo e contenere le radiazioni provenienti dai binari ad alta velocità;
  3. gli strati del segnale dovrebbero essere molto vicini tra loro, anche nei piani adiacenti.
  4. uno strato di segnale deve essere sempre adiacente a un piano;
  5. I piani di massa multipli sono molto vantaggiosi, in quanto abbassano l'impedenza a terra della scheda e riducono le radiazioni in modo comune;
  6. i piani di potenza e di massa devono essere rigorosamente accoppiati tra loro;

Per raggiungere tutti questi obiettivi, è necessario operare con un minimo di otto strati.

Inoltre:

  1. dal punto di vista meccanico, è consigliabile realizzare una sezione trasversale per evitare deformazioni;
  2. le configurazioni devono essere simmetriche. Ad esempio, su un PCB a otto strati, se il livello 2 è un piano, anche il livello 7 dovrebbe essere un piano;
  3. se i livelli del segnale sono vicini ai livelli del piano (massa o potenza) la corrente di ritorno può fluire su un piano adiacente riducendo al minimo l'induttanza del percorso di ritorno;
  4. per migliorare ulteriormente il rumore e le prestazioni EMI, l'isolamento tra uno strato di segnale e il suo piano adiacente può essere reso ancora più sottile;
  5. una considerazione importante da fare è lo spessore di ogni strato di segnale. Ci sono spessori standard insieme alle proprietà dei diversi tipi di materiale dei circuiti stampati. Nella scelta dei materiali, è consigliabile considerare le loro proprietà elettriche, meccaniche e termiche;
  6. Utilizzate un software eccellente per aiutarvi a progettare il vostro stackup. Tutto questo dovrebbe essere fatto in modo da scegliere i materiali corretti dalla biblioteca ed eseguire i calcoli di impedenza in base ai materiali e alle loro dimensioni.

Un'attenta progettazione dei PCB

Alle alte velocità di funzionamento dei circuiti odierni, è necessaria un'attenta progettazione dei PCB, che sta diventando, sotto tutti gli aspetti, un'arte. Un circuito stampato mal progettato può degradare le prestazioni elettriche della trasmissione del segnale, la fornitura di potenza, la producibilità e l'affidabilità a lungo termine del prodotto finito.

L'invio dei file Gerber alle aziende determina i costi di produzione che, come per qualsiasi altra merce, vengono abbassati in base alle quantità richieste. La crescita globale del mercato dei PCB è guidata dall'aumento dell'uso di PCB multistrato e flessibili. La densità della scheda e la complessità del design continuano ad aumentare a mano a mano che le aziende elettroniche cercano di aggiungere ulteriori caratteristiche ai dispositivi. Prezzo, qualità, tempi di consegna e servizio sono i criteri più comuni per la scelta di un produttore di PCB, e la maggior parte delle persone dovrebbe preoccuparsi prima del prezzo.

La missione della Proto-Electronics è di aiutarvi in questa fase cruciale della prototipazione, riducendo i vostri tempi di realizzazione. I preventivi online in 10 minuti e i tempi di consegna a partire da 5 giorni lavorativi vi daranno più tranquillità al lavoro.

Maurizio Paolo EmilioDi M. Di Paolo Emilio

Maurizio ha un dottorato di ricerca in Fisica ed è ingegnere delle telecomunicazioni e giornalista. Ha lavorato a vari progetti internazionali nel campo della ricerca sulle onde gravitazionali. È caporedattore di Power Electronics News. È autore di diversi libri pubblicati da Springer, nonché di numerose pubblicazioni scientifiche e tecniche sul design elettronico.

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