Pila de PCB de 4 capas - (señal, señal, potencia, tierra)

He desarrollado una placa para un proyecto y la empresa que la va a montar en un módulo enchufable me acaba de pedir una modificación rara.

Actualmente es una placa de 4 capas : señal superior, tierra, potencia, señal inferior. Bastante estándar.

Quieren que cambie el plano de tierra con la capa de señal inferior . De esta forma, pueden contactar fácilmente la carcasa mecánica (que tiene un gran disipador de calor) con el plano de tierra con una fina capa de grafito. Su objetivo es mejorar la disipación de calor de algunos componentes críticos, que ya están en contacto con el plano de tierra a través de la almohadilla expuesta del componente.

Estoy tratando de averiguar si esto es una mala idea o no. Aquí están mis consideraciones:

  1. Las señales que se enrutan en la placa no son HF, 10 MHz como máximo, y no hay relojes de onda cuadrada en la placa.
  2. Los flancos más rápidos de algunas señales tienen un tiempo de establecimiento de unos pocos um y llegan a través de un conector de una placa diferente, por lo que probablemente ya estarán filtrados por la capacitancia parásita de los conectores.
  3. Tener las capas de referencia tan lejos de las capas de señal parece una mala idea para las rutas de retorno. Una mejor pila podría ser: (señal superior, potencia, señal, tierra).
  4. Por otro lado, aumentar la distancia desde los planos de referencia de esos componentes críticos (algunos TIA de muy bajo ruido) reduce la capacitancia de entrada parásita (actualmente en alrededor de 0.5pF), reduciendo así el ruido de salida de la configuración TIA.

¿Cuáles son tus pensamientos?

Algunas respuestas a sus comentarios:

¿Sería posible simplemente agregar vertidos de polígonos en la capa inferior?

Puede ser, pero hay un montón de señales en un área que no se puede desviar. Dado que el grafito es conductor, solo confiaría en la máscara de soldadura para evitar cortocircuitos, y el aislamiento en las vías podría ser un problema (no puedo usar vías en forma de carpa).

¿Están las capas de señal inundadas con tierra?

Actualmente no. Principalmente para reducir la capacitancia de entrada a tierra de los TIA, pero hay algunas áreas que definitivamente puedo llenar.

¿Se pueden mover los componentes calientes a la parte inferior de la PCB?

No, deben estar en la capa superior debido a otras restricciones de ensamblaje y enrutamiento.

¿Realmente les importa dónde está la capa de poder, o solo quieren el suelo en el fondo?

Solo pidieron que el suelo estuviera en el fondo. Es por eso que consideré la pila alternativa (señal superior, potencia, señal, tierra).

El grafito es eléctricamente conductor. Si sus vías no están completamente cargadas / llenas, se encontrará en un mundo de problemas.

Yo también estoy muy preocupado por eso. Además, si no elimino completamente el área de los rastros de señal, solo confío en el aislamiento proporcionado por la máscara de soldadura, que se puede rayar fácilmente.

Creo que se podría hacer que el cambio funcione. Si el diseño de la placa está completo y se solicita este cambio, significa un rediseño que afecta su cronograma y costo de desarrollo. Me pregunto si, en lugar de cambiar la acumulación, ¿sería posible simplemente agregar polígonos de tierra en la capa inferior que se colocan para contactar con el disipador de calor? Ese podría ser un cambio menos dramático, aunque sin ver su diseño es difícil de decir.
Es probable que esto cree una pila asimétrica; eso probablemente causará un arco y una torsión excesivos en el proceso de reflujo (suponiendo que se trate de una tabla con reflujo).
¿Están las capas de señal inundadas con tierra? Si tiene señal-señal-plano-plano, la placa estará desequilibrada y podría deformarse durante el proceso de fabricación de PCB debido a las diferentes características de expansión térmica.
¿Se pueden mover los componentes calientes a la parte inferior de la PCB? Así se acercan más al disipador y hay menos resistencia térmica.
¿Realmente les importa dónde está la capa de poder, o solo quieren el suelo en el fondo?
El grafito es eléctricamente conductor. Si sus vías no están completamente cargadas / llenas, se encontrará en un mundo de problemas.
¡Gracias a todos por sus comentarios! Arriba, he agregado las respuestas a sus preguntas.
Si la placa soporta tanta carga térmica, ¿qué tal considerar la posibilidad de una placa con núcleo de aluminio?
Esta es la razón por la que los ingenieros mecánicos deben mantenerse alejados del diseño de PCB
Estoy de acuerdo, señal-potencia-señal-tierra suena como una mejor pila en general. Si se sabe que algunos elementos acoplan el ruido a una señal a través de una capacitancia parásita, aleje esos elementos, alejando más el plano como indicó, o creando vacíos selectivos... Para el problema del aislamiento, las películas térmicas (incluidas las autoadhesivas unos) son posibilidades. La conductividad térmica por área no es muy buena, pero se extendería sobre un área grande.
Lo que me dijeron hace mucho tiempo es que las acumulaciones asimétricas son malas y hacen que el tablero se distorsione. (En este caso, simétrico sería señal, plano, plano, señal O plano señal plano de señal). Si vas plano de señal, plano de señal, bueno, eso no es simétrico. Qué tan problemático es esto en la vida real, bueno, no lo sé. Veo que @PeterSmith también mencionó esta preocupación.
@mkeith: no necesariamente, si equilibra el cobre en las capas de señal al llenar con áreas vacías de GND, puede hacer algo aceptable. Pero si tiene muchos rastros de señal, el relleno de cobre será difícil. Entonces depende del diseño. Tiene que ser discutido con Fab House.

Respuestas (2)

Una configuración de PCB diferente no importará si:

1) No importa cambiar la capacitancia de tierra a un plano dado. (y también efectos de línea de transmisión). Es 'práctico' tener el plano de tierra en el medio porque le estás dando a la mayoría de los planos una pequeña capacitancia parásita a la capa de tierra. Al enviar el plano de tierra a la capa inferior, la capacitancia al plano de tierra aumenta desde las capas de señal que están en la parte superior. La inductancia de la traza de PCB aumenta cuanto más se aleja de tierra, lo que afecta principalmente a los circuitos de alta velocidad.

ingrese la descripción de la imagen aquíFigura de Ingeniería de compatibilidad electromagnética de Henry W Ott

2) La corriente de retorno se conserva, recuerde que el plano de tierra lleva la corriente de retorno. Si se intercambian los planos, no coloque ranuras en el plano de tierra si se mueve a la capa superior. Eso cambiará el rendimiento del plano de tierra y podría causarle más problemas de EMI y problemas de modo común debido a que las corrientes de retorno tienen que correr "alrededor" de las ranuras en el plano de tierra.ingrese la descripción de la imagen aquí

No parece que esto sea algo difícil de hacer en su caso si no tiene requisitos de alta velocidad u otros circuitos analógicos sensibles que tienen requisitos de ruido. Si tiene circuitos sensibles, puede requerir un diseño más creativo.

Aquí hay una buena lectura sobre acumulaciones regulares

Tenga en cuenta que existen otras opciones para la gestión térmica, como cambiar a un mayor peso de cobre o disipadores de calor. Los planos de energía también se pueden usar para la gestión térmica en algunos casos O, si tiene el espacio en varias capas, use tantas capas como pueda. He usado varias capas en el pasado, pero no tengo requisitos de soldadura estrictos.

el dist. entre dos capas superiores hay aproximadamente ~4.63mil y entre las dos capas intermedias ~38mil (dependiendo del fabricante) que corresponde a una distancia de 117um y 960um. C = ϵ 0 ϵ r A d donde ϵ 0 = 8.854 mi − 12 y ϵ r = 4.4 (también depende del fabricante) A = 144 mi − 6 . Obtengo 48pF entre los planos exteriores para una placa de 144 cm^2 y 6pF entre la mayoría de las capas internas. El orden de estos planos hace una diferencia con la capacitancia. Más que eso, la inductancia mutua y el efecto de la línea de transmisión también marcarán la diferencia en el pedido, probablemente no para el OP.
D'oh, no importa, me equivoqué de poder, convertí mal nF como pF. ¡El problema de hacer matemáticas por la noche!
No se preocupe, cm ^ 2 siempre me atrapa, generalmente lo convierto directamente a m ^ 2 ahora

No es una buena idea mantener dos capas de señal consecutivas. Porque crea diafonía/interferencia en las líneas de señal.

En el peor de los casos, si desea colocar capas de señal consecutivas, debe colocar las líneas de señal perpendiculares entre sí en esas capas.

Pila de PCB de 4 capas - (señal, señal, potencia, tierra)
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