La maggior parte dei dispositivi elettronici moderni contiene schede a circuito stampato (PCB) fondamentali il loro funzionamento. Ogni layer del PCB è fisicamente disposto in uno stack-up e come tale è essenziale per garantire la funzionalità complessiva del circuito.
Questo articolo esaminerà le regole di base relative alla definizione dello stack-up e dell'ordinamento dei layer di un PCB, tenendo conto che, a seconda delle specifiche di ogni singolo progetto, potrebbero esserci delle variazioni rispetto alle regole generali.
Quando si progetta un circuito stampato, lo stack-up e l'ordine dei layer sono essenziali per garantire la funzionalità e le prestazioni della scheda. Prima di affrontare l'ordinamento dei layer, è importante capire quali siano i diversi tipi di layer che compongono un PCB.
In generale, esistono tre tipi di layer: layer segnale, piani di alimentazione/massa e piani di separazione. I layer segnale includono condensatori, resistenze, circuiti integrati e altri componenti che fanno parte del circuito. I layer di alimentazione/massa forniscono un percorso coerente per il flusso di corrente attraverso il dispositivo, mentre i piani di separazione possono ridurre la diafonia tra segnali con potenziali diversi. Conoscere le funzioni di ogni layer è fondamentale per determinare l'ordine dei layer stessi.
Prima di iniziare la progettazione di un PCB, occorre considerare alcuni fattori chiave. Questi garantiranno che il progetto soddisfi i requisiti dell'applicazione.
I principali fattori chiave da considerare sono i seguenti:
Quando i progettisti devono affrontare le sfide relative all'ordinamento dei layer e allo stack-up, devono conoscere alcuni aspetti fondamentali.
Prima di iniziare a sviluppare lo stack-up di un PCB, occorre considerare i requisiti del progetto. Alcune considerazioni importanti riguardano le dimensioni della scheda, il tipo di trasmissione del segnale, le frequenze coinvolte e il numero di layer. A seconda dei requisiti del progetto, lo stack-up richiederà un certo numero e tipo di layer.
Il passo successivo consiste nel decidere il tipo di layer di cui il PCB ha bisogno. I layer di segnale, di alimentazione e di massa sono i tre diversi tipi di layer in un PCB. I piani di massa sono utilizzati per fornire un canale di ritorno a bassa impedenza per i segnali, i layer di segnale sono utilizzati per trasportare i segnali tra i componenti, mentre i layer di alimentazione sono utilizzati per alimentare i singoli componenti.
I progettisti dovrebbero sempre iniziare con il layer di segnale, il primo layer dello stack-up dove viene instradata la maggior parte dei segnali. Il layer di segnale deve essere adiacente ai layer di alimentazione e di massa. In ogni caso, il numero di layer nello stack-up del PCB deve essere ottimizzato per bilanciare il costo e la complessità del progetto con i requisiti di integrità del segnale e di EMI.
Il passo successivo consiste nell'ordinare i diversi layer, una volta deciso il loro tipo. I layer di segnale vanno inseriti tra due piani di massa. Questa configurazione protegge adeguatamente i layer di segnale e riduce le interferenze elettromagnetiche (EMI).
Una buona pratica è quella di alternare i layer di alimentazione e di massa per mantenere un'impedenza costante e ridurre le interferenze elettromagnetiche sulla scheda. Inoltre, i segnali ad alta velocità devono essere mantenuti vicini alla massa. Per questi segnali, tipicamente utilizzati nei circuiti digitali, è importante mantenere il layer di segnale il più vicino possibile a un piano di massa per ridurre il rumore e mantenere l'integrità del segnale.
Se il circuito stampato include segnali analogici e digitali, è importante separarli in layer diversi per ridurre le interferenze tra di essi. Se il progetto richiede ulteriori connessioni di alimentazione e di massa, si consiglia di aggiungere allo stack-up strati di alimentazione e di terra dedicati.
Lo spessore e il materiale dei layer sono fattori essenziali da considerare quando si definisce lo stack-up di un PCB. Lo spessore dei layer influisce sull'impedenza delle tracce, mentre il materiale influisce sulla costante dielettrica e sulla tangente di perdita. Una buona selezione di potenziali materiali per il substrato è la seguente:
La larghezza e la spaziatura delle tracce sono fattori cruciali che influenzano l'impedenza e le prestazioni del PCB. L'ampiezza della traccia deve essere progettata in modo da trasportare la corrente richiesta senza surriscaldarsi, mentre la spaziatura deve essere sufficiente per evitare diafonia e interferenze.
Una volta progettato lo stack-up del PCB, è essenziale verificarne l'integrità del segnale. I problemi di integrità del segnale, come diafonia, riflessioni e attenuazione, possono influire in modo significativo sulle prestazioni del circuito. Al fine di simulare e verificare la qualità del progetto, può essere utile utilizzare uno strumento di analisi dell'integrità del segnale.
Figura 1: PCB con substrato Rogers RO4003C
Gli stack-up dei PCB multistrato, che includono 4, 6 e più layer, offrono diversi vantaggi e svantaggi rispetto ai PCB a singolo o doppio strato. Gli stack-up dei PCB multistrato offrono molti vantaggi in termini di densità, integrità del segnale e funzionalità, ma comportano costi aggiuntivi e maggiore complessità di progettazione e produzione. La decisione di utilizzare un PCB multistrato deve basarsi sui requisiti specifici del circuito e sulle risorse disponibili per la progettazione e la produzione del PCB.
Ecco alcuni dei pro e dei contro degli stack-up per PCB multistrato.
Vantaggi:
Svantaggi:
Lo stack-up di un PCB a 4 layer, visibile in Figura 2, rappresenta una soluzione comune e versatile che bilancia funzionalità ed economicità, rendendolo adatta a un'ampia gamma di applicazioni elettroniche. Normalmente, esso consiste in quattro layer di tracce e piani di rame inseriti tra strati isolanti. I layer sono numerati dallo strato superiore a quello inferiore e la sequenza degli strati per uno stack-up a 4 layer è solitamente la seguente:
I layer isolanti inseriti tra i layer di rame sono composti da materiale dielettrico, in genere FR-4 o un altro materiale composito. Lo spessore degli strati isolanti e di rame dipende dai requisiti del circuito e dalle specifiche di progetto.
Oltre agli strati di rame e isolanti, un PCB a 4 strati può presentare anche dei fori di via, ovvero piccoli fori praticati sul PCB per collegare gli strati di rame. I fori di via possono essere fori passanti placcati (PTH) o non placcati (NPTH) e sono utilizzati per fornire connessioni tra i layer sia per i segnali, sia per l'alimentazione.
Figura 2: Layout di un comune PCB a 4 strati
La progettazione di uno stack-up di PCB è fondamentale per costruire un PCB funzionale ed efficiente. Considerando i requisiti del progetto, i tipi di layer, l'ordine dei layer, lo spessore, il materiale, la larghezza e la spaziatura delle tracce e l'integrità del segnale, è possibile garantire le prestazioni ottimali del PCB. Ai progettisti si consiglia di utilizzare uno strumento di progettazione per PCB in grado di assisterli nella creazione e verifica del progetto di stack-up.
20.09.2023