Atascado diseñando dos

Sep 05, 2023

Sin duda, muchos lectores están familiarizados con el proceso de grabado casero de PCB: hoy en día se considera muy sencillo, aunque un poco complicado. Este no fue el caso en mi juventud, cuando comencé a interesarme por la electrónica. En aquella época, grabar incluso tableros de una sola cara era para aficionados "avanzados". Cuando comencé a grabar mis propios PCB, los aficionados avanzados ya utilizaban placas grabadas en casa de doble cara, el único tipo que no se muestra en la imagen de arriba, porque no pude encontrar el único ejemplo exitoso que creé. Más tarde vi el surgimiento de los PCB fabricados “básicamente”: placas de tamaño fijo fabricadas profesionalmente con orificios chapados, pero sin máscara de soldadura ni serigrafía. Con el tiempo, esto dio paso a los servicios de agregación de PCB que tenemos ahora con placas completas de dos capas, con máscara de soldadura y serigrafía.

Hoy en día, el aficionado "avanzado" puede estar usando tableros de cuatro capas, aunque la tasa de adopción de cuatro capas sigue siendo relativamente baja: OSH Park produce alrededor del 90% de dos capas y el 10% de cuatro capas, por ejemplo. Creo que esto inevitablemente aumentará, como ha sido el caso con todas las tecnologías anteriores: lo avanzado eventualmente se convertirá en la corriente principal. Cada uno de los cambios anteriores ha aportado un diseño y una construcción más sencillos, así como un mejor rendimiento, y lo mismo ocurrirá a medida que las cuatro capas se vuelvan más comunes.

Entonces, echemos un vistazo al diseño de PCB de cuatro capas. Si nunca ha considerado uno para ninguno de sus diseños, puede sorprenderse gratamente del pequeño costo adicional que implican todos los beneficios que obtiene.

La diferencia obvia entre los PCB de dos y cuatro capas son dos capas adicionales de cobre. La disposición particular de las capas dentro de un tablero se conoce como "apilamiento". Las acumulaciones de dos capas son simples: hay cobre de un espesor específico en cada lado de un material central, generalmente un laminado epoxi reforzado con vidrio FR4. En la figura se muestra un ejemplo típico: 1,4 mil (también conocido como 1 oz) para el cobre y 60 mils para el núcleo. Si nunca antes ha trabajado con PCB de cuatro capas, podría asumir que las dos capas internas de cobre adicionales estaban espaciadas por igual, pero generalmente están mucho más cerca de las capas externas. Hay algunas razones muy convincentes para hacer esto, que exploraremos más adelante.

Si solicita una gran cantidad de PCB directamente al fabricante, puede personalizar el apilamiento, cambiando el espaciado y los espesores del cobre para adaptarlos a su diseño. Sin embargo, con los servicios orientados a aficionados, obtienes su acumulación estándar de cuatro capas. Afortunadamente, muchos servicios han elegido bien su oferta. OSH Park, por ejemplo, utiliza un sustrato FR408 premium para su servicio de cuatro capas, que produce un excelente rendimiento de RF.

Ahora que tienes dos capas de cobre más, ¿qué deberías hacer con ellas? Hay varias formas de organizar su diseño, pero a menos que tenga razones específicas, es mejor seguir con la estrategia más común. En este enfoque, las capas externas se usan para señales y las dos capas internas se usan como planos de tierra y de energía. Por lo general, el plano de tierra está más cerca del lado del componente de la PCB. Luego se colocan señales en las dos capas exteriores. Una forma conveniente de hacer esto es enrutar señales en direcciones ortogonales en las dos capas: la capa superior podría tener trazas principalmente verticales, mientras que las de la parte inferior serían en su mayoría horizontales. Para llegar a algún lugar en diagonal, se toma un camino a lo largo de Manhattan, alternando entre capas. Esto aumenta la densidad de señal alcanzable y es un buen punto de partida para iterar en un diseño.

Las conexiones entre las capas se realizan con vías, al igual que en los apilamientos de dos capas. Para alimentar un circuito integrado, por ejemplo, el pin se puede separar con un trazo corto y ancho hasta una vía que se conecta al plano de alimentación. Mejor aún, puede crear una pequeña “isla de energía” hecha de cobre en el lado del componente que está conectada al avión a través de varias vías, agregando uno o más condensadores de derivación cercanos para un suministro de energía sólido como una roca. Con los PCB multicapa, existen diferentes variedades de vía, aunque en las ofertas de nivel de aficionado, normalmente estará limitado al tipo más familiar que atraviesa todas las capas de la placa. En procesos de placa más avanzados, también puede tener vías ciegas que solo conectan las capas externas con una capa interna, o vías enterradas que solo conectan las capas internas.

Bien, ha elegido optar por una acumulación de cuatro capas y la disposición de capas estándar. ¿Qué te compra esto? En primer lugar, la distribución de energía se simplifica y mejora enormemente. Los planos casi sólidos, interrumpidos sólo por vías, tienen una inductancia y resistencia muy bajas, lo que mejora la calidad de la energía, además no es necesario colocar trazas de energía anchas en las capas de señal. En cualquier lugar donde necesite VCC o GND, simplemente profundice. Sin rastros de energía en las capas exteriores, hay mucho más espacio para rastros de señales.

Hay aún más beneficios para los diseños digitales de alta velocidad o RF. Una pista de 50 ohmios en una placa típica de dos capas tiene alrededor de 110 mils de ancho. En el ejemplo de apilamiento de cuatro capas que se muestra arriba, eso se reduce a 14 mils, una mejora de casi un factor de ocho en la densidad solo con respecto al ancho de la pista. Los pares de señales digitales diferenciales también se pueden mejorar, reduciendo su huella en un factor de cuatro en este ejemplo. Estas ventajas pueden dar como resultado diseños más compactos pero más fáciles de enrutar, lo que le permitirá ahorrar espacio en el tablero y un valioso tiempo de diseño.

Algunas de las mayores ventajas de pasar a cuatro capas pueden no ser inmediatamente obvias, pero hay más ventajas en la pequeña distancia entre las capas de cobre internas y sus respectivas externas. Mantener las trazas de señal cerca de un plano de alimentación o de tierra aumenta el acoplamiento entre ellas y disminuye el área del bucle de señal, incluida la ruta de retorno de corriente. Estos factores disminuyen las emisiones radiadas y mejoran la integridad de la señal. Si es solo un proyecto de pasatiempo, es posible que no esté pensando en realizar pruebas de emisiones, pero si alguna vez desea certificar su diseño para la venta, puede ser un problema espectacular. Por otro lado, una mejor integridad de la señal significa que tiene mayores posibilidades de lograr un diseño de alta velocidad exitoso la primera vez.

Estas ventajas pueden ser espectaculares y casi llegar automáticamente. Como un gran ejemplo, Dave Jones en eevblog publicó recientemente un video en el que tomó un diseño existente de dos capas, la microcomputadora Gigatron TTL, y lo cambió a cuatro capas simplemente agregando planos de potencia y tierra entre las capas de señal existentes. Cuando realizó una prueba de ruido en la PCB, las emisiones de la versión de cuatro capas se redujeron considerablemente en comparación con el diseño original.

Entonces, todo eso suena fantástico, pero seguramente debe haber algunas desventajas en los diseños de cuatro capas. Sí, pero son relativamente menores. En primer lugar, los tableros de cuatro capas cuestan más que los de dos capas por área. Las cifras típicas oscilan entre 1,5 y 2 veces el costo de placas de igual calidad, sin contar las “ofertas” realmente económicas en servicios de grado prototipo de dos capas con acabado HASL con plomo. Sin embargo, esta métrica puede ser un poco engañosa. Un diseño de cuatro capas puede ser más pequeño que la versión correspondiente de dos capas, anulando parte de la diferencia de costo por área. El costo del PCB también puede ser una pequeña fracción de la lista de materiales total, por lo que duplicarlo solo agregará un pequeño costo incremental.

Para proyectos únicos y personales, el uso de una acumulación de cuatro capas puede amortizarse con el tiempo y el esfuerzo que se ahorra al trazar el diseño. Si está planeando una producción, cuatro capas aún pueden tener sentido, incluso si es solo para un prototipo que luego puede intentar reducir el costo a dos capas. Haga que funcione rápidamente y optimícelo más tarde.

Otra desventaja percibida es el mayor tiempo de producción para el proceso más complejo de cuatro capas. Esto puede haber sido un problema mayor en el pasado, ya que últimamente los tiempos se están volviendo más comparables. OSH Park, por ejemplo, envía el 90% de sus pedidos de dos capas en 8 días naturales, y una proporción equivalente de los de cuatro capas en 9 días, y se espera que los tiempos se igualen en los próximos meses. Combinadas con los tiempos de envío reales, diferencias menores como esta son completamente intrascendentes.

Además del tiempo y el costo, los diseños de cuatro capas también pueden tener inconvenientes funcionales menores. Reelaborar un tablero de cuatro capas para corregir errores en un prototipo puede ser más difícil que arreglar una versión de dos capas. Dado que las capas internas están tan cerca de las externas, no se necesita mucha fuerza adicional para cortar accidentalmente un plano de tierra o de energía al desconectar quirúrgicamente un rastro de señal. Esto puede causar que cualquiera de los lados de la pista haga un cortocircuito con el avión. Se recomienda un ligero toque y un control minucioso con un microscopio. Por otro lado, si por alguna razón ha encaminado rastros de señal en las capas internas, volver a trabajar la placa puede ser casi imposible: otra razón para colocar aviones de energía allí.

El enrutamiento de una PCB de cuatro capas puede implicar algunos giros nuevos que requieren un poco más de reflexión. Por ejemplo, en el apilamiento de cuatro capas descrito anteriormente, las señales de la capa inferior están referenciadas al plano de potencia; su corriente de retorno debe fluir a través del avión hasta el condensador de derivación más cercano para encontrar su camino de regreso a tierra. Si cambia capas con frecuencia con señales de alta velocidad, es posible que necesite agregar condensadores de derivación adicionales entre los planos en puntos estratégicos de la placa para acortar estas rutas de retorno y mantener pequeñas las áreas de bucle de señal. La ventaja es que hacerlo es simplemente cuestión de colocar las tapas y colocar algunas vías para conectarlas a los planos internos.

Finalmente, es posible que su herramienta de diseño de PCB favorita no admita placas de cuatro capas. La versión gratuita de Eagle está limitada a dos capas, al igual que Fritzing. Si utiliza un paquete orientado a aficionados, deberá verificar que haga más capas. Esta puede ser la razón más convincente que he escuchado hasta ahora para comenzar con KiCAD.

Dadas todas las ventajas que aportan los diseños de cuatro capas y el coste adicional mínimo, probablemente valga la pena evaluar si alguno de sus diseños actuales o futuros se beneficiaría de una mejora. Personalmente, hoy en día suelo empezar con diseños de cuatro capas. Casi la única vez que uso dos capas es para tableros extremadamente simples, o cuando los necesito rápidamente, ya que puedo recibir pedidos urgentes de dos capas en aproximadamente una semana (casualmente al mismo precio que los de cuatro capas con tiempo de entrega normal). .

Tampoco hay razón para detenerse en las cuatro capas. Se pueden presentar argumentos similares para pasar a acumulaciones de capas superiores. Para una visión particularmente interesante, consulte la charla de Kerry Scharfglass en la Superconferencia La-Tecnologia del año pasado, donde describe haber gastado $130 adicionales para mover su pedido de 500 piezas de cuatro capas a seis capas y ahorrar aproximadamente entre 20 y 30 horas de tiempo de diseño. .

Es posible que vea ahorros similares en su próximo proyecto. Darle una oportunidad.

[Gracias a Laen y Drew de OSH Park por sus conocimientos y datos.]