Conhecimento Essencial para o Layout de PCB Multicamadas: Um Guia Abrangente

O layout de PCB de várias camadas é a espinha dorsal da eletrônica moderna, permitindo projetos compactos e de alto desempenho que alimentam smartphones, veículos elétricos, dispositivos médicos e infraestrutura 5G.Ao contrário dos PCBs de camada única ou dupla, placas de múltiplas camadas (4 ′′40 + camadas) empilham camadas de cobre condutor com dielétricos isolantes, reduzindo o tamanho do dispositivo em 40 ′′60% enquanto aumentam a velocidade do sinal e o manuseio de energia.Para os projetar é preciso dominar habilidades especializadas.: da otimização do empilhamento de camadas à redução da EMI.

O mercado global de PCBs de várias camadas deve atingir US $ 85,6 bilhões até 2028 (Grand View Research), impulsionado pela demanda por veículos elétricos e 5G.Os engenheiros devem dominar os princípios básicos que garantem a confiabilidadeEste guia descreve os conhecimentos essenciais para o layout de PCB de várias camadas, com estratégias acionáveis, comparações baseadas em dados,e melhores práticas adaptadas aos padrões de fabricação americanos.

Principais conclusões
1.Design de empilhamento de camadas: Uma empilhamento bem projetado (por exemplo, 4-camada: sinal-terra-potência-sinal) reduz a EMI em 30% e melhora a integridade do sinal para 25Gbps + caminhos.
2Planos terrestres/energéticos: Planos dedicados reduzem a impedância em 50%, evitando quedas de voltagem e transmissão cruzada, críticas para inversores de veículos elétricos e dispositivos médicos.
3.Integritade do sinal: o roteamento de pares diferenciais e o controle de impedância (50Ω/100Ω) reduzem as reflexões do sinal em 40% em projetos de alta velocidade.
4.DFM Compliance: Seguindo as regras IPC-2221 reduz os defeitos de fabricação de 12% para 3%, reduzindo os custos de retrabalho em US $ 0,50 ¢ US $ 2,00 por placa.
5Ferramentas de simulação: a utilização precoce de simuladores de sinal/térmicos (por exemplo, HyperLynx) detecta 80% das falhas de projeto antes da criação de protótipos.

Fundamentos do projeto de PCB de várias camadas
Antes de mergulhar no layout, os engenheiros precisam dominar conceitos fundamentais que determinam o desempenho e a fabricabilidade.

1. Layer Stack-Up: A base do desempenho
O empilhamento (arranjo das camadas de cobre e dielétrico) é a escolha de projeto mais crítica, pois impacta diretamente a integridade do sinal, a gestão térmica e a EMI.Um mau empilhamento pode tornar mesmo o melhor roteamento inútil.

Melhor prática: para projetos de alta velocidade (> 10Gbps), emparelhe cada camada de sinal com um plano de solo adjacente para criar um caminho de retorno de baixa impedância.

2. Projeto de Planos Terrestre e de Potência
Os planos de terra e de potência não são pensamentos, são componentes ativos que estabilizam os sinais e o fornecimento de energia:

1- Planos do solo:
a. Fornecer uma tensão de referência uniforme para os sinais, reduzindo o ruído em 40%.
b. Agem como dispersores de calor, reduzindo as temperaturas dos componentes em 15°C em projetos densos.
c. No caso de placas de várias camadas, utilizar planos de terra divididos apenas quando necessário (por exemplo, separando os planos analógicos/digitais) para evitar a criação de "ilhas" que retêm o ruído.
2- Aviões de força:
a. Fornecer tensão estável aos componentes, evitando quedas que causem erros lógicos.
b. Colocar os planos de potência directamente abaixo dos planos do solo para formar um efeito de "condensador", reduzindo o EMI em 25%.
c.Utilizar planos de potência múltiplos para sistemas de múltipla tensão (por exemplo, 3,3 V e 5 V) em vez de rotear a potência através de traços.Isso reduz a queda de tensão em 60%.

Estudo de caso: um BMS Tesla Model 3 usa dois planos de terra e três planos de potência para lidar com 400V DC, reduzindo as falhas relacionadas à potência em 30% em comparação com um projeto de 4 camadas.

3Selecção de materiais: adaptação do projecto ao ambiente
Os PCBs multicamadas dependem de materiais que equilibram o desempenho térmico, elétrico e mecânico.

Consideração crítica: combinar o coeficiente de expansão térmica (CTE) dos materiais com os componentes (por exemplo, os chips de silício têm um CTE de 2,6 ppm/°C).levando a falhas das juntas de solda.

Estratégias de colocação de componentes
A colocação de componentes é mais do que “equipamento de peças”, afeta diretamente a gestão térmica, a integridade do sinal e a fabricabilidade.

1Gerenciamento térmico: prevenção de pontos de risco
O sobreaquecimento é a causa número um de falhas de PCBs de várias camadas.

a.Componentes quentes de grupo: coloque peças de alta potência (por exemplo, IGBTs, reguladores de tensão) perto de dissipadores de calor ou caminhos de fluxo de ar. Por exemplo, os IGBTs de um inversor EV devem estar a menos de 5 mm de uma matriz térmica via.
b.Utilize vias térmicas: perfurar vias preenchidas com cobre de 0,3 ∼ 0,5 mm sob componentes quentes para transferir calor para os planos internos do solo.
c.Evitar a aglomeração: deixe 2 ¢ 3x a altura do componente entre as peças de alta potência para evitar o acúmulo de calor. Um resistor de 2W precisa de 5 mm de distância dos componentes adjacentes.

2Integridade do sinal: posicionamento para velocidade
Os sinais de alta velocidade (> 1 Gbps) são sensíveis à colocação, mesmo pequenas distâncias podem causar perda de sinal:

a.Redução dos comprimentos de traça: colocar componentes de alta velocidade (por exemplo, modems 5G, FPGA) próximos uns dos outros para manter os traços < 5 cm. Isto reduz a atenuação do sinal em 30% a 28 GHz.
b.Isolar componentes ruidosos: separar partes digitais (ruidosas) (por exemplo, microprocessadores) de partes analógicas (sensíveis) (por exemplo, sensores) por ≥ 10 mm. Usar um plano de terra entre elas para bloquear a EMI.
c. Alinhar com vias: coloque componentes sobre vias para minimizar o roteamento de traços, reduzindo o número de curvas que causam picos de impedância.

3Distribuição de energia: tensão estabilizadora
Uma má colocação de energia leva a quedas de tensão e ruído.

a.Condensadores de desacoplamento: Coloque condensadores cerâmicos de 0,1μF a 2 mm dos pinos de alimentação do IC. Isso filtra o ruído de alta frequência e evita picos de voltagem.usar um condensador por pin de alimentação.
b. Proximidade do plano de potência: garantir que os planos de potência cobrem 90% da área sob os componentes que absorvem alta corrente (por exemplo, 1A+).
c.Evitar energia Daisy-Chaining: não encaminhe a energia para vários componentes através de uma única traça  use o plano de potência para fornecer a tensão diretamente, reduzindo a queda em 50%.

Técnicas de encaminhamento para PCB de várias camadas
O roteamento transforma uma colocação em um circuito funcional. O domínio de técnicas como roteamento de pares diferenciais e controle de impedância não é negociável.

1Roteamento por pares diferenciais: para sinais de alta velocidade
Os pares diferenciais (dois traços paralelos que transportam sinais opostos) são essenciais para projetos de 10Gbps +. Siga estas regras:

a.Duração igual: combinar os comprimentos de traça com uma precisão de ± 0,5 mm para evitar distorções (diferenças de tempo).
b. Espaçamento constante: manter as traças separadas 0,5 × 1x a largura das traças (por exemplo, 0,2 mm de espaçamento entre as traças de 0,2 mm) para manter a impedância (100Ω para pares diferenciais).
c.Evitar o Stubbing: não adicionar “stubs” (segmentos de traços não utilizados) aos pares diferenciais “stubs” provocam reflexos de sinal que aumentam a BER (taxa de erro de bits) em 40%.

2Controle de impedância: correspondência de sinais com cargas
O desajuste de impedância (por exemplo, um traço de 50Ω conectado a um conector de 75Ω) causa reflexos de sinal que degradam o desempenho.

a. Largura/espessura do traço: utilizar traços de cobre de 0,2 mm de largura e 1 oz no FR4 (com um dielétrico de 0,1 mm) para obter uma impedância de 50Ω.
b.Embalagem de camadas: ajustar a espessura dielétrica entre os planos de sinal e de aterramento ̇ os dielétricos mais grossos aumentam a impedância (por exemplo, 0,2 mm dielétrico = 60Ω; 0,1 mm = 50Ω).
c. Ensaios TDR: utilizar um reflectômetro de domínio temporal (TDR) para medir a impedância de placas de rejeição com variações > ± 10% das especificações de projeto.

Dica de ferramenta: O Calculador de Impedância do Altium Designer ajusta automaticamente a largura do traço e a espessura dielétrica para atender à impedância alvo, reduzindo os erros manuais em 70%.

3Via colocação: Minimizar a degradação do sinal
As vias conectam camadas, mas adicionam indutividade e capacitância que prejudicam os sinais de alta velocidade.

a.Utilize vias cegas/enterradas: para sinais superiores a 25 Gbps, utilize vias cegas (conectar camadas externas a internas) em vez de vias através de buracos, reduzindo assim a indutividade em 50%.
b.Limitar a contagem de vias: cada via adiciona ~ 0,5nH de indutividade. Para sinais de 40 Gbps, limite as vias para 1 ¢ 2 por traço para evitar a perda de sinal.
c. Vias de solo: Coloque um solo a cada 2 mm ao longo de trilhos de alta velocidade para criar um "escudo" que reduza o intermitente em 35%.

Regras e verificações de projeto
O desvio das regras de projeto leva a defeitos de fabricação e falhas de campo.

1- Permissão e rastreamento: Segurança em primeiro lugar
O espaço livre (espaço de ar entre os condutores) e o fluxo (caminho ao longo do isolamento) impedem o arco elétrico, crítico para projetos de alta tensão.

Ajuste ambiental: em ambientes úmidos ou empoeirados, aumente o fluxo de 50% (por exemplo, 0,45 mm para 50 250 V) para evitar a quebra do isolamento.

2DFM (Design for Manufacturing): Evitar dores de cabeça na produção
O DFM garante que o seu projeto possa ser construído de forma eficiente.

a. Espaçamento de cobre: manter um espaço ≥ 0,1 mm entre os elementos de cobre para evitar curto-circuitos durante a gravação.
b.Tamanhos de perfuração: Use tamanhos de perfuração padrão (0,2 mm, 0,3 mm, 0,5 mm) para reduzir os custos de ferramenta.
c. Pads de relevo térmico: utilizar pads com ranhuras para componentes de alta potência (por exemplo, TO-220) para evitar a fissuração da junção de solda durante o refluxo.

3- Padrões industriais: satisfação dos requisitos globais
A conformidade garante que o seu PCB seja seguro, confiável e comercializável.

Técnicas avançadas para projetos de alto desempenho
Para projetos de 25Gbps+ ou de alta potência, o roteamento básico não é suficiente.

1Roteamento de alta velocidade: Minimizar distorções
a. Evite ângulos de 90°: utilize ângulos de 45° ou traços curvos para reduzir picos de impedância.
b. Comprimentos de traça controlados: Para interfaces de memória (por exemplo, DDR5), os comprimentos de traça devem corresponder com uma precisão de ± 0,1 mm para evitar distorções de tempo.
c.Escudo: traços de rota de alta velocidade entre dois planos de terra (um projeto de "microstrip" para bloquear o EMI), reduzindo as emissões radiadas em 40%.

2Redução da EMI: Controlar o ruído
a.Colagem do plano do solo: Conecte os planos do solo interno com vias a cada 10 mm para criar uma "gaiola de Faraday" que prende a EMI.
b. Perlas de ferrite: adicionar perlas de ferrite às linhas de energia de componentes ruidosos (por exemplo, microprocessadores) para bloquear o ruído de alta frequência (> 100 MHz).
c. Torção de pares diferenciais: torça pares diferenciais (1 torção por cm) para encaminhamento de tipo cabo, reduzindo a captação de EMI em 25%.

3Simulação: Validação antes da criação de protótipos
As simulações detectam falhas cedo, economizando mais de $1.000 por iteração de protótipo.

Erros comuns a serem evitados
Mesmo engenheiros experientes cometem estes erros dispendiosos.

1Salto a simulação térmica:
a.Erro: Supondo que os pequenos componentes não se sobreaquecem.
b. Consequência: 35% das falhas de campo são relacionadas com o calor (relatório IPC).
c. Correção: Simulação do desempenho térmico de todos os componentes > 1 W.

2Ignorando a continuidade do plano de terra:
a.Erro: Criar planos de terra divididos sem conexões adequadas.
b.Consequência: o reflexo do sinal aumenta em 50%, causando perda de dados.
c.Solução: utilizar vias terrestres para ligar planos separados; evitar ilhas terrestres flutuantes.

3- Documentação de fabrico incompleta:
a.Erro: Envio apenas de ficheiros Gerber (sem guias de perfuração ou notas de fabrico).
b. Consequência: 20% dos atrasos de fabrico são causados por documentos em falta (pesquisa dos fabricantes de PCB).
c. Correção: Incluir ficheiros de perfuração, desenhos de fabrico e relatórios DFM.

Ferramentas e software para layout de PCB de várias camadas
As ferramentas adequadas simplificam o projeto e reduzem os erros:

LT CIRCUIT's Expertise em Multi-Layer PCB Layout
A LT CIRCUIT é especializada na resolução de desafios complexos de várias camadas, com foco em:

a. Integridade do sinal: utiliza algoritmos de roteamento proprietários para manter uma impedância de 50Ω/100Ω ± 5% para sinais de 40 Gbps.
b.Custom Stack-Ups: Projeta placas de 4 ̊20 camadas com materiais como Rogers RO4350 para 5G e poliimida para aplicações flexíveis.
c. Teste: Valida todas as placas com TDR, imagem térmica e teste de sonda voadora para garantir a conformidade.

Estudo de caso: A LT CIRCUIT projetou um PCB de 8 camadas para uma estação base 5G, alcançando uma perda de sinal de 28 GHz de 1,8 dB/ polegada ∼30% melhor do que a média do setor.

Perguntas frequentes sobre o layout de PCB de várias camadas
P: Qual é o número mínimo de camadas para um PCB 5G?
R: 6 camadas (Signal-Ground-Signal-Power-Ground-Signal) com o substrato Rogers RO4350 – menos camadas causam perda de sinal excessiva (> 2,5 dB/ polegada a 28 GHz).

P: Como escolho entre vias cegas e de buraco?
A: Utilize vias cegas para sinais de 25 Gbps+ (redução da indutividade) e vias de buraco para conexões de energia (5A+).

P: Por que o DFM é importante para PCBs multicamadas?
R: As placas de várias camadas têm mais pontos de falha (vias, laminação).

P: Que ferramentas ajudam no controle da impedância?
R: O Calculador de Impedância da Altium e a ferramenta de Layout SiP da Cadência ajustam automaticamente a largura/dielectrico do traço para atender à impedância alvo.

P: Como o LT CIRCUIT suporta projetos de múltiplas camadas de alta velocidade?
R: O LT CIRCUIT fornece otimização de empilhamento, simulação de integridade do sinal e teste pós-produção, garantindo que os sinais de 40Gbps atendam aos requisitos do diagrama ocular.

Conclusão
O domínio do layout de PCB de várias camadas requer uma mistura de conhecimento técnico, estratégia prática e proficiência em ferramentas.confiabilidadeSeguindo os padrões da indústria, evitando erros comuns e aproveitando ferramentas avançadas,Os engenheiros podem projetar PCBs de várias camadas que alimentam a próxima geração de eletrônicos, desde smartphones 5G até veículos elétricos..

Para projetos complexos, a parceria com especialistas como a LT CIRCUIT garante que o seu projeto atenda aos mais rigorosos padrões de desempenho e fabricação.PCBs multicamadas tornam-se uma vantagem competitivaNão é um desafio de design.