Peso do cobre, empilhamentos (stack-up) e impedância

Três fatores definem o comportamento elétrico e térmico de uma placa além do seu layout: a espessura do cobre, a disposição das camadas e a distância de cada camada em relação às camadas vizinhas. Este artigo explica cada um deles e quando você precisa informar a fábrica sobre eles.

Peso do cobre

A espessura do cobre é dada como peso por área: onças por pé quadrado. Uma onça de cobre distribuída sobre um pé quadrado tem cerca de 35 micrômetros (0.035 mm, ou 1.4 mil) de espessura. Duas onças têm cerca de 70 µm.

1. Espessura do cobre: a mesma trilha em três pesos.
2. O laminado isolante sob o cobre.
3. A corrosão corta para os lados além de para baixo, portanto cobre espesso deixa bases de trilha mais largas e precisa de espaçamentos maiores.

Dois pontos são fáceis de deixar passar:

• As camadas externas ganham cobre na metalização. Uma placa pedida com cobre externo de "1 oz" costuma ser feita a partir de uma folha mais fina e depois metalizada com cobre, porque os furos precisam ser metalizados. A espessura final é declarada de formas diferentes por fabricantes diferentes. Pergunte se o valor é a folha inicial ou o cobre final.
• Cobre mais espesso precisa de espaçamentos maiores e trilhas mais largas. A corrosão avança para os lados além de para baixo, portanto cobre pesado precisa de mais espaço para ser corroído de forma limpa. Cobre pesado também altera como a fábrica define a trilha mínima e o espaçamento mínimo. Não projete cobre de 3 oz com os espaçamentos que você usaria para 0.5 oz.

Quanta corrente uma trilha pode conduzir

A corrente que uma trilha pode conduzir depende da sua largura, da espessura do cobre, do aumento de temperatura que você aceita e de ela estar em uma camada externa (resfriada pelo ar) ou em uma camada interna (sem resfriamento). A referência padrão para isso é a IPC-2221, que fornece curvas, e sua companheira mais recente IPC-2152 é considerada uma fonte melhor. Use uma calculadora baseada nelas, acrescente margem e trate os resultados para camadas internas com mais cuidado. Para uma trilha que conduza mais do que alguns ampères, considere uma trilha mais larga, um polígono de cobre, peso do cobre adicional ou cobre reforçado com solda, e não uma trilha fina levada ao seu limite.

Empilhamentos (stack-up)

Um empilhamento (stack-up) é a lista ordenada das camadas e do que fica entre elas: cobre, espessura e tipo do dielétrico, cobre, e assim por diante. Toda placa multicamadas tem um, e a fábrica decide o empilhamento real a menos que você o especifique.

1. Duas camadas: cobre, um núcleo, cobre.
2. Quatro camadas: cobre externo, prepreg, cobre interno, um núcleo, cobre interno, prepreg, cobre externo.
3. Seis camadas: dois núcleos e três camadas de prepreg entre seis camadas de cobre.
4. Prepreg: tecido de vidro com resina parcialmente curada, que derrete e une as camadas quando a placa é prensada.
5. Núcleo: um laminado rígido com cobre nos dois lados.

Duas camadas

Cobre nos dois lados, com um núcleo entre eles. Simples e barato. Bom para projetos digitais simples, de baixa velocidade e muitos projetos analógicos.

Quatro camadas

O passo mais comum acima de duas camadas. Uma disposição usual:

1. Sinal (topo)
2. Plano de terra
3. Plano de alimentação (ou segundo terra)
4. Sinal (verso)

O plano de terra sólido sob os sinais do topo fornece um caminho de retorno para a corrente e mantém as áreas de laço pequenas, o que ajuda tanto no ruído quanto na emissão. As camadas internas têm cobre de 0.5 oz ou 1 oz. Uma placa com espessura total de 1.6 mm é o caso usual, com o dielétrico externo fino (para que os sinais do topo fiquem próximos do plano de terra) e um núcleo mais espesso no meio.

Seis camadas

Uma disposição comum é sinal, terra, sinal, sinal, alimentação, sinal, ou sinal, terra, sinal, alimentação, terra, sinal. A ideia é que cada camada de sinal tenha um plano ao seu lado e que os planos fiquem próximos um do outro onde for possível. Seis camadas permitem sinais mais rápidos, um layout mais denso e melhor separação entre partes ruidosas e partes silenciosas.

Simetria

Mantenha o empilhamento (stack-up) simétrico em relação ao centro, tanto na quantidade de cobre quanto na espessura do dielétrico. Uma placa desbalanceada empena ou torce quando aquecida no refluxo, e uma placa empenada é difícil de montar. Se o cobre do topo for principalmente preenchimento de terra e o verso estiver vazio, acrescente preenchimento para equilibrar.

Controle de impedância

Uma trilha em uma placa se comporta como uma linha de transmissão. Sua impedância característica, em ohms, depende de:

• a largura da trilha,
• a distância até o plano de referência (a espessura do dielétrico),
• a constante dielétrica (Dk) do material,
• a espessura do cobre,
• para pares diferenciais, o espaçamento entre as duas trilhas.

O desenho mostra as dimensões que você pode ver. A espessura do cobre e a constante dielétrica do material também contam.

1. Largura da trilha.
2. Altura do isolante entre a trilha e seu plano de referência.
3. Espaçamento entre as duas trilhas de um par diferencial.
4. O plano de referência: uma camada de cobre sólida sob as trilhas. Mantenha-o sem interrupções.

Quando um sinal viaja rápido o suficiente, um descasamento entre a impedância da trilha e a do driver e do receptor causa reflexões. Se isso é um problema depende do tempo de subida e do comprimento da trilha, e não apenas da frequência de clock.

Quando isso importa

Você precisa de controle de impedância para interfaces cujo padrão o exige. Alvos típicos:

• 50 Ω de terminação simples para muitos sinais de rádio e sinais rápidos de terminação simples,
• 90 Ω diferencial para USB,
• 100 Ω diferencial para Ethernet e para muitos pares LVDS, HDMI e do tipo DDR,
• 85 Ω diferencial para PCIe é comumente citado.

Verifique o alvo na folha de dados ou no padrão da sua interface, pois os valores diferem entre versões e projetos.

Você não precisa disso para sinais lentos, para GPIO típico ou para alimentação. Pedir isso quando você não precisa acrescenta custo.

O que a fábrica precisa

• Um empilhamento (stack-up). Ordem das camadas, pesos do cobre, tipo e espessura do dielétrico e espessura total. Os engenheiros da fábrica podem sugerir um que se ajuste aos seus materiais.
• Quais trilhas, em quais camadas, com qual impedância alvo. Para pares diferenciais, diga quais trilhas formam o par.
• A tolerância que você aceita. Dez por cento é um valor usual. Tolerâncias mais estreitas custam mais.
• Como isso é verificado. As fábricas colocam cupons de teste na borda do painel e os medem; a placa em si não é medida. Pergunte se você recebe um relatório.

A largura da trilha e o espaçamento são então ajustados pelo engenheiro da fábrica para atingir o alvo no empilhamento real, e por isso você precisa aceitar que a largura desenhada pode mudar em uma pequena quantidade.

Cálculo

Ferramentas de solver de campo no software de projeto e calculadoras online gratuitas fornecem uma boa primeira estimativa. O valor da própria fábrica para Dk e espessura é o que conta, pois os valores nominais de uma folha de dados diferem de uma placa prensada.

Conselhos práticos

1. Peça o empilhamento (stack-up) padrão da fábrica para o número de camadas e a espessura antes de rotear.
2. Roteie trilhas com controle de impedância apenas nas camadas que o empilhamento descreve.
3. Mantenha os planos de referência sem interrupções sob sinais rápidos.
4. Não misture pesos do cobre em uma mesma camada sem informar a fábrica.
5. Declare o que é crítico em uma nota curta, e não apenas no desenho.

Como isso aparece quando você pede aqui

Se você pedir controle de impedância sem um empilhamento (stack-up), a verificação de arquivos indica isso: "o controle de impedância precisa de um empilhamento (stack-up)" é uma das suas 25 verificações. A verificação não pode dizer a partir dos arquivos que uma trilha precisa de controle de impedância, nem se o seu empilhamento se ajusta ao seu projeto; diga quais trilhas e quais alvos junto com o pedido. Os materiais e os empilhamentos disponíveis estão na página de capacidades de fabricação, e um engenheiro confirma os detalhes com o pedido. Sobre materiais, leia Materiais base de PCB.