¿Cómo decide tener más de dos capas en una PCB?

Acabo de empezar a escribir mi tesis de licenciatura. He estado trabajando como diseñador de hardware junior durante poco menos de un año. Todas las tablas que he diseñado hasta ahora tienen 2 capas. Para mi tesis, diseñaré una placa en torno al nuevo módulo de cómputo 4 de Raspberry-Pi, por lo que me gustaría saber si debo basar mi diseño en una placa de 4 capas.

1.ª pregunta

Veo que para aplicaciones de RF, bajo ruido, alta velocidad, etc., se utilizan placas de 4 a 6 capas. Todavía no he tomado una conferencia sobre el tema y la mayor parte de mi conocimiento de PCB es autodidacta fuera de la universidad. Realmente agradecería si alguien pudiera explicar por qué y cuándo usar más de 2 capas por razones distintas a la complejidad del tablero. Si pudiera vincular tal vez un libro o una conferencia con el tema, sería aún mejor.

2da pregunta

Entiendo vagamente que para las placas de alta velocidad, como las placas madre de las computadoras, se usan placas de varias capas. Refiriéndose a mi primera pregunta, ¿por qué? ¿Tendría que hacer mi tablero de varias capas? En caso afirmativo, ¿cómo debo proceder con mi diseño y regiones de cobre? ¿Hay alguna regla misteriosa que deba tener en cuenta además de respetar las hojas de datos de los circuitos integrados que uso?

Una de las razones es que, para muchas aplicaciones, desea que una capa sea un plano de tierra sólido para que las corrientes de HF puedan regresar por debajo de la traza de donde vinieron, creando la superficie de bucle más pequeña posible. En una placa de 2 capas que deja solo una capa, lo que podría ser demasiado restrictivo para enrutar circuitos complejos.
Además de los planos de tierra, las placas de procesador modernas pueden tener 6 o más rieles de alimentación que pueden necesitar ser bastante grandes y esto requeriría planos de alimentación, cantidad de capas de conducción. Una placa de 16 capas que hice tenía 4 planos de potencia, 4 planos de tierra y 8 capas de enrutamiento. También tuvo que distribuir hasta 10 amperios en 3 de los rieles de potencia.
@PeterSmith jeez 10A es mucho. Creo que soy demasiado inexperto para ese nivel de complejidad.
Para las reglas de diseño de alta velocidad, hay muchas publicaciones en este sitio de varias personas. El sitio web de consultoría de señales (el hogar del Dr. Howie Johnson) también es un excelente recurso.

Respuestas (1)

Este es un tema bastante amplio, así que intentaré mantener la respuesta general, en lugar de tratar de responder todo en detalle.

En primer lugar, algunos componentes te obligan a usar más de dos capas. Simplemente no puede exportar todas las señales de un chip BGA denso en dos capas. Simplemente no hay suficiente espacio.

Luego, algunos problemas te obligan a usar más de dos capas para los trazos. No se puede obtener la densidad de trazas en dos capas; no se puede controlar la impedancia lo suficientemente bien (o con trazos lo suficientemente delgados) en dos capas; no puede eliminar el calor rápidamente o el suministro de corriente lo suficiente sin una alimentación y un plano de tierra dedicados... Lo que es más importante, las rutas de retorno a tierra son importantes, y si necesita romper su plano de tierra porque una sola capa de señal simplemente no lo es capaz de admitir su circuito (lo que sucede fácilmente, la mayoría de los esquemas no son gráficos planos ...), entonces ha perdido.

Luego, comienza la gran área de cosas que son compensaciones entre complejidad, costo, calidad de la señal, facilidad de enrutamiento, capacidades de fabricación, ... y podría (y encontrará) estantes de biblioteca llenos de metodología avanzada de diseño de PCB que explica lo que puede (y no puede) hacer en un número determinado de capas. Por ejemplo, no sé tu salario, pero no todas las tablas se producen por millones. Si necesita 10 tableros del mismo diseño, y el diseño de las cosas le toma el doble de tiempo si necesita hacerlo en dos capas en lugar de tener la libertad de cuatro capas, bueno, simplemente podría ser más barato y mejor hacerlo en cuatro . y pasar al siguiente diseño.

Tenga en cuenta que dice "se usan de 4 a 6 capas"; pero en realidad, puedes pedir (hasta donde he visto personalmente) tableros de 18 capas (¡los comentarios muestran un número de capas mucho más alto, incluso!), por lo que el mundo es un poco más complejo de lo que crees :)

Una vez hice una placa posterior de 32 capas que tenía más de 2300 pares de 5 Gb, entre muchas otras cosas. Es cierto que eso limitó el número de proveedores.
@PeterSmith, ¿está seguro de que no solo ha intentado construir Internet en un tablero? ;)
@PeterSmith ¿Era esa la placa de la estación base de 10 mm de espesor? Alguien aquí, no recuerdo quién, los hizo.
Cuando mi empleador, Burroughs, compró Sperry y estábamos cerrando la fábrica de 200 ksqft cerca de Bristol, Tennessee, estaban fabricando tableros de 50 capas internamente con vías que parecían una afeitadora Remington. Los baños de baño de oro líquido eran inmensos como contenedores de basura con carritos de compras llenos de tarjetas. Todo se reduce a una compensación entre el tiempo, el costo y las especificaciones de rendimiento.
Marcus: era parte de un conmutador Infiniband de clase director (144 4x puertos full dúplex).
@PeterSmith ah, sí, eso está sorprendentemente cerca;) Pero sí, los backplanes de interconexión de alta densidad y alta velocidad es donde buscaría un alto número de capas. En realidad, es bastante sorprendente que se construya algo en este complejo.
bueno saber :)
Además, a veces se pueden usar menos capas cuando no había restricciones de tamaño de placa. A menudo teníamos un tamaño de tablero fijo y buscábamos una manera de obtener las funciones requeridas en el tablero. Más capas permiten una mayor densidad de componentes. 20-30 capas son comunes para las computadoras satelitales
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