Atrapado diseñando dos

Muchos lectores están ciertamente 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 me interesé por primera vez en la electrónica. En ese momento, grabar incluso tableros de una sola cara era para aficionados "avanzados". Cuando comencé a grabar mis propios PCB, los aficionados avanzados estaban en tableros grabados en casa de doble cara, el único tipo que no se muestra arriba, porque no pude encontrar el único ejemplo exitoso que jamás haya creado. Más tarde vi el surgimiento de los PCB fabricados "básicos": tableros de tamaño fijo fabricados profesionalmente con orificios chapados, pero sin máscara de soldadura ni serigrafía. Eventualmente, esto dio paso a los servicios agregados de PCB que tenemos ahora con placas completas de dos capas, completas 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 finalmente se convierte en la corriente principal. Cada uno de los cambios anteriores ha traído un diseño y una construcción más sencillos, así como un rendimiento mejorado, 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, es posible que se sorprenda gratamente del pequeño costo adicional que implica para 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 grosor específico en cada lado de un material central, con mayor frecuencia un laminado de epoxi reforzado con fibra de vidrio FR4. En la figura se muestra un ejemplo típico: 1,4 mil (también conocido como 1 oz) para el cobre y 60 mil para el núcleo. Si nunca antes ha trabajado con PCB de cuatro capas, puede suponer 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 en un momento.

Si solicita una gran cantidad de PCB directamente al fabricante, puede personalizar el apilamiento, cambiando el espaciado y el grosor del cobre para adaptarlo a su diseño. Sin embargo, con los servicios orientados a los aficionados, obtiene su apilado estándar de cuatro capas. Afortunadamente, muchos servicios han elegido bien sus ofertas. OSH Park, por ejemplo, utiliza un sustrato FR408 premium para su servicio de cuatro capas, lo 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 exteriores se utilizan para las señales y las dos capas interiores se utilizan como planos de alimentación y tierra. Por lo general, el plano de tierra está más cerca del lado del componente de la PCB. Luego, las señales se colocan en las dos capas exteriores. Una forma conveniente de hacer esto es enrutar las señales en direcciones ortogonales en las dos capas: la capa superior podría tener trazos principalmente verticales, mientras que los de la parte inferior serían en su mayoría horizontales. Para llegar a algún lugar en diagonal, se toma un camino a la distancia 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 las acumulaciones de dos capas. Para alimentar un circuito integrado, por ejemplo, el pin puede romperse con un trazo corto y ancho a una vía que se conecta al plano de alimentación. Mejor aún, puede crear una pequeña "isla de energía" hecha de un vertido de cobre en el lado del componente que está conectado al avión a través de varias vías, agregando uno o más condensadores de derivación cerca para una fuente de alimentación sólida como una roca. Con los PCB multicapa, existen diferentes variedades de vías, aunque en las ofertas de nivel de aficionado, por lo general, 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 capas externas con una capa interna, o vías enterradas que solo conectan capas internas.

Bien, ha elegido ir con 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 en gran medida. Los planos casi sólidos, interrumpidos solo por vías, tienen una inductancia y una resistencia muy bajas, lo que mejora la calidad de la energía y, además, no es necesario colocar trazas de energía amplias en las capas de la señal. En cualquier lugar que necesite VCC o GND, simplemente profundice para encontrarlo. Sin rastros de energía en las capas exteriores, hay mucho más espacio para rastros de señales.

Hay aún más beneficios para RF o diseños digitales de alta velocidad. Una traza de 50 ohmios en una placa típica de dos capas tiene alrededor de 110 milésimas de pulgada de ancho. En el ejemplo de acumulación de cuatro capas que se muestra arriba, eso se reduce a 14 mils, casi un factor de ocho de mejora en la densidad solo desde el 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 resultar fácilmente en diseños más compactos, pero más fáciles de enrutar, lo que le permite ahorrar espacio en la placa y un valioso tiempo de diseño.

Algunas de las mayores ventajas de cambiar a cuatro capas pueden no ser obvias de inmediato, pero hay más ventajas en la pequeña distancia entre las capas internas de cobre y sus respectivas capas externas. Mantener los rastros de la señal cerca de un plano de alimentación o de tierra aumenta el acoplamiento entre ellos y disminuye el área del bucle de la señal, incluida la ruta de retorno de la corriente. Estos factores reducen las emisiones radiadas y mejoran la integridad de la señal. Si es solo un proyecto de pasatiempo, es posible que no esté pensando en las pruebas de emisiones, pero si alguna vez desea obtener la certificación de su diseño para la venta, puede ser un problema sensacional. La integridad de la señal mejorada, por otro lado, significa que tiene una mayor probabilidad de tener un diseño de alta velocidad exitoso la primera vez.

Estas ventajas pueden ser dramáticas y casi automáticas. 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 energía y planos de tierra entre las capas de señal existentes. Cuando probó el ruido de la PCB, las emisiones de la versión de cuatro capas se redujeron considerablemente en comparación con el diseño original.

Entonces, todo eso suena increíble, 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 tableros de dos capas por área. Los números típicos son de 1,5 a 2 veces el costo de las placas de la misma calidad, sin contar las "ofertas" realmente baratas en los servicios de grado de 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 un apilamiento de cuatro capas puede pagarse por el tiempo y el esfuerzo que se ahorran al enrutar 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 costos en dos capas. Hágalo funcionar rápidamente, luego optimícelo más tarde.

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

Además del tiempo y el costo, también puede haber inconvenientes funcionales menores en los diseños de cuatro capas. Reelaborar una placa de cuatro capas para corregir errores en un prototipo puede ser más difícil que corregir 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 energía al desconectar quirúrgicamente un rastro de señal. Esto puede causar que cualquiera de los lados de la pista haga un corto con respecto al plano. Se recomienda un toque ligero y una revisión minuciosa con un microscopio. Por otro lado, si ha enrutado rastros de señal en capas internas por alguna razón, volver a trabajar en la placa puede ser casi imposible: otra razón para colocar planos de energía allí.

El enrutamiento de una PCB de cuatro capas puede implicar algunos giros nuevos, lo que requiere un poco de reflexión adicional. Por ejemplo, en el apilamiento de cuatro capas descrito anteriormente, las señales en la capa inferior se refieren al plano de potencia; su corriente de retorno debe fluir a través del avión hasta el capacitor de derivación más cercano para encontrar el camino de regreso a tierra. Si está cambiando capas a menudo con señales de alta velocidad, es posible que deba agregar condensadores de derivación adicionales entre los planos en puntos estratégicos del tablero para acortar estas rutas de retorno y mantener pequeñas las áreas de bucle de señal. La ventaja es que hacerlo es simplemente una 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 usa 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 brindan los diseños de cuatro capas y el costo adicional mínimo, probablemente valga la pena evaluar si alguno de sus diseños actuales o futuros se beneficiaría de mejorar. Personalmente, suelo empezar con diseños de cuatro capas en estos días. Casi la única vez que uso dos capas es para tableros extremadamente simples, o cuando los necesito rápidamente, ya que puedo obtener pedidos urgentes de dos capas en aproximadamente una semana (casualmente al mismo precio que las cuatro capas normales). .

Tampoco hay razón para detenerse en cuatro capas. Se pueden hacer argumentos similares para pasar a acumulaciones de capas superiores. Para una toma particularmente interesante, consulte la charla de Kerry Scharfglass en la Superconferencia Hackaday del año pasado, donde describe gastar $ 130 adicionales para mover su pedido de 500 piezas de cuatro capas a seis capas y ahorrar un estimado de 20-30 horas de tiempo de diseño. .

Es posible que vea un ahorro similar en su próximo proyecto. Darle una oportunidad.

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