Tres factores definen el comportamiento eléctrico y térmico de una placa más allá de su trazado: el espesor del cobre, la disposición de las capas y la distancia entre cada capa y sus vecinas. Este artículo explica cada uno y cuándo debe comunicarlo a la fábrica.
Peso de cobre
El espesor del cobre se indica como peso por superficie: onzas por pie cuadrado. Una onza de cobre extendida sobre un pie cuadrado tiene unos 35 micrómetros (0,035 mm, o 1,4 mil) de espesor. Dos onzas son unos 70 µm.
| Peso | Espesor aproximado | Uso habitual |
|---|---|---|
| 0.5 oz | 17.5 µm | Capas internas, pistas finas |
| 1 oz | 35 µm | La opción habitual en capas externas |
| 2 oz | 70 µm | Placas de potencia, corriente más alta |
| 3 oz y más | 105 µm y más | Cobre grueso: fuentes de alimentación, barras colectoras |
- Espesor del cobre: la misma pista con tres pesos.
- El laminado aislante bajo el cobre.
- El ataque químico corta también hacia los lados y no solo hacia abajo, por lo que el cobre grueso deja bases de pista más anchas y necesita separaciones más anchas.
Dos aspectos se pasan por alto con facilidad:
- Las capas externas ganan cobre en la metalización. Una placa pedida con cobre externo de "1 oz" se suele fabricar a partir de una lámina más fina y luego se metaliza con cobre, porque los agujeros deben metalizarse. Cada fabricante indica el espesor acabado de forma distinta; pregunte si la cifra corresponde a la lámina inicial o al cobre acabado.
- Un cobre más grueso necesita separaciones más anchas y pistas más anchas. El ataque químico avanza hacia los lados y no solo hacia abajo, por lo que el cobre grueso necesita más espacio para grabarse de forma limpia. El cobre grueso también cambia la forma en que la fábrica fija la pista mínima y la separación mínima. No diseñe cobre de 3 oz con las separaciones que usaría para 0.5 oz.
Cuánta corriente puede transportar una pista
La corriente que puede transportar una pista depende de su ancho, del espesor del cobre, del aumento de temperatura que usted acepte y de si está en una capa externa (refrigerada por el aire) o en una capa interna (sin refrigerar). La referencia habitual para esto es IPC-2221, que ofrece curvas, y su complemento más reciente, IPC-2152, se considera una fuente mejor. Use una calculadora basada en ellas, añada margen y trate los resultados para capas internas con más cuidado. Para una pista que transporte más de unos pocos amperios, considere una pista más ancha, un vertido poligonal, más peso de cobre o cobre reforzado con soldadura, y no una pista fina llevada a su límite.
Apilados (stack-up)
Un apilado (stack-up) es la lista ordenada de capas y de lo que hay entre ellas: cobre, espesor y tipo de dieléctrico, cobre, y así sucesivamente. Toda placa multicapa tiene uno, y la fábrica decide el apilado real salvo que usted lo especifique.
- Dos capas: cobre, un núcleo, cobre.
- Cuatro capas: cobre externo, prepreg, cobre interno, un núcleo, cobre interno, prepreg, cobre externo.
- Seis capas: dos núcleos y tres capas de prepreg entre seis capas de cobre.
- Prepreg: tejido de vidrio con resina parcialmente curada, que se funde y une las capas cuando se prensa la placa.
- Núcleo: un laminado rígido con cobre en ambas caras.
Dos capas
Cobre en ambas caras, con un núcleo en medio. Sencillo y económico. Adecuado para diseños digitales sencillos, de baja velocidad y muchos diseños analógicos.
Cuatro capas
El paso más habitual. Una disposición usual:
- Señal (superior)
- Plano de masa
- Plano de alimentación (o segunda masa)
- Señal (inferior)
El plano de masa sólido bajo las señales superiores ofrece una vía de retorno para la corriente y mantiene pequeñas las superficies de bucle, lo que ayuda tanto con el ruido como con las emisiones. Las capas internas son de cobre de 0,5 oz o 1 oz. Una placa de 1,6 mm de espesor total es el caso habitual, con el dieléctrico externo fino (para que las señales superiores queden cerca del plano de masa) y un núcleo más grueso en el centro.
Seis capas
Una disposición habitual es señal, masa, señal, señal, alimentación, señal, o señal, masa, señal, alimentación, masa, señal. La idea es que cada capa de señal tenga un plano junto a ella, y que los planos queden cerca entre sí cuando sea posible. Seis capas permiten señales más rápidas, un trazado más denso y una mejor separación entre partes ruidosas y silenciosas.
Simetría
Mantenga el apilado (stack-up) simétrico respecto al centro, tanto en cantidad de cobre como en espesor de dieléctrico. Una placa desequilibrada se arquea o se retuerce al calentarse en el reflujo, y una placa arqueada es difícil de montar. Si el cobre de la cara superior es en su mayor parte relleno de masa y la inferior está vacía, añada relleno para equilibrarlo.
Control de impedancia
Una pista en una placa se comporta como una línea de transmisión. Su impedancia característica, en ohmios, depende de:
- el ancho de pista,
- la distancia al plano de referencia (el espesor del dieléctrico),
- la constante dieléctrica (Dk) del material,
- el espesor del cobre,
- en pares diferenciales, la separación entre las dos pistas.
El dibujo muestra las dimensiones que usted puede ver. El espesor del cobre y la constante dieléctrica del material también cuentan.
- Ancho de pista.
- Altura del aislante entre la pista y su plano de referencia.
- Separación entre las dos pistas de un par diferencial.
- El plano de referencia: una capa de cobre sólida bajo las pistas. Manténgalo sin interrupciones.
Cuando una señal viaja con suficiente rapidez, una desadaptación entre la impedancia de la pista y la del excitador y el receptor provoca reflexiones. Que esto sea un problema depende del tiempo de subida y de la longitud de la pista, no solo de la frecuencia de reloj.
Cuándo importa
Usted necesita control de impedancia en las interfaces cuya norma lo exige. Objetivos habituales:
- 50 Ω de un solo extremo para muchas señales de radio y señales rápidas de un solo extremo,
- 90 Ω diferencial para USB,
- 100 Ω diferencial para Ethernet y para muchos pares LVDS, HDMI y de tipo DDR,
- 85 Ω diferencial para PCIe es el valor citado habitualmente.
Consulte el objetivo en la hoja de datos o en la norma de su interfaz, ya que los valores difieren entre versiones y diseños.
No lo necesita para señales lentas, para GPIO habituales ni para alimentación. Pedirlo cuando no lo necesita añade coste.
Qué necesita la fábrica
- Un apilado (stack-up). Orden de capas, pesos de cobre, tipo y espesor de dieléctrico y espesor total. Los ingenieros de la fábrica pueden sugerirle uno que se ajuste a sus materiales.
- Qué pistas, en qué capas, con qué impedancia objetivo. En pares diferenciales, indique qué pistas forman el par.
- La tolerancia que usted acepta. Diez por ciento es una cifra habitual. Una tolerancia más estrecha cuesta más.
- Cómo se verifica. Las fábricas colocan cupones de prueba en el borde del panel y los miden; la placa en sí no se mide. Pregunte si recibirá un informe.
El ingeniero de la fábrica ajusta después el ancho de pista y la separación para alcanzar el objetivo en el apilado (stack-up) real, por lo que usted debe aceptar que el ancho que dibujó pueda cambiar en una cantidad pequeña.
Cálculo
Las herramientas de resolución de campos del software de diseño y las calculadoras gratuitas en línea ofrecen una buena primera estimación. La cifra de la propia fábrica para Dk y el espesor es la que cuenta, ya que los valores nominales de una hoja de datos difieren de los de una placa prensada.
Consejos prácticos
- Pida a la fábrica su apilado (stack-up) estándar para el número de capas y el espesor antes de trazar.
- Trace pistas con control de impedancia solo en capas que describa el apilado (stack-up).
- Mantenga los planos de referencia sin interrupciones bajo señales rápidas.
- No mezcle pesos de cobre en una misma capa sin comunicarlo a la fábrica.
- Indique lo que es crítico en una nota breve, no solo en el dibujo.
Cómo aparece esto al pedir aquí
Si usted pide control de impedancia sin un apilado (stack-up), la verificación lo indica: "El control de impedancia necesita un apilado (stack-up)" es una de sus 25 comprobaciones. La verificación no puede deducir de los archivos que una pista necesita control de impedancia, ni si su apilado (stack-up) se ajusta a su diseño; indique qué pistas y qué objetivos con el pedido. Los materiales y los apilados (stack-up) disponibles están en la página de capacidades, y un ingeniero confirma los detalles con el pedido. Sobre materiales, lea Materiales base para PCB.