Insieme alla definizione degli aspetti meccanici (dimensioni e posizione dei fori), la scelta del numero di layer con cui sbrogliare un circuito è la decisione più importante che devi prendere nella fase iniziale della progettazione di PCB.
Per scegliere il numero di layer di un PCB, devi considerare diversi aspetti. Sicuramente devi avere presente il costo della futura scheda. Inoltre, devi considerare la complessità del circuito e valutare alcuni aspetti legati alla compatibilità elettromagnetica.
La definizione del numero di layer, della funzione di ogni layer e dello spessore del materiale dielettrico che separa i vari layer è chiamata stack-up.
La definizione dello stack-up impatta su quattro aspetti:
Assicura che le cadute di tensione tra i vari punti del circuito siano limitate. E’ importante assicurare che le variazioni della tensione di alimentazione non siano superiori al 5% durante tutto il periodo di funzionamento del circuito
Riduce le problematiche di integrità dei segnali. Questi riguardano in particolare il cross-talk cioè l’influenza reciproca che due segnali hanno tra loro quando viaggiano per una certa lunghezza paralleli sul circuito stampato
Permette un migliore controllo dell’impedenza dei segnali. Questo è importante in particolare quando ci sono linee differenziali ad esempio linee Ethernet oppure quando ci sono moduli a radiofrequenza che richiedono linee ad impedenza controllata di 50 Ohm
Riduce le problematiche di compatibilità elettromagnetica. Questo è un effetto combinato dei tre punti precedenti.
Contribuisce a migliorare la dissipazione termica.
Per rispettare il primo punto, è importante da una parte realizzare i collegamenti delle alimentazioni con piste ampie o con aree di rame chiamate anche come copper pour area. Dall’altra parte devi fare in modo che ci sia quanto più vicino possibile al layer contenente le alimentazioni, un layer con un piano continuo associato alla net GND (piano di massa).
Con questi due accorgimenti fisicamente cosa si ottiene? Si riduce l’impedenza della rete di alimentazione chiamata anche Power Delivery Network (PDN). Riducendo l’impedenza della rete di alimentazione si riduce la caduta di tensione in quanto i due parametri sono legati dalla formula:
Vcaduta = ZPDN * I
dove ZPDN è l’impedenza della linea di alimentazione e I è la corrente che scorre nella linea.
Come puoi applicare i concetti che abbiamo visto fino ad ora nelle configurazioni più comuni di PCB?
Quando definisci il numero di layer e la loro funzione, cerca di rispettare tre fattori.
Non ci devono essere due layer di segnale adiacenti tra loro. Questa condizione si trova in alcuni PCB a 6 layer e favorisce il cross-talk tra i segnali.
I layer contenenti le alimentazioni devono essere quanto più vicino possibile ai layer con i piani di massa in modo da ridurre il più possibile l’impedenza della rete di alimentazione
La distribuzione delle zone di alimentazione, di segnale e di piani di massa deve essere quanto più simmetrica possibile
Consideriamo un PCB ideale a 2 layer. In un layer sono presenti segnali e tracce o aree di rame collegate alle linee di alimentazione, nel secondo invece è presente un piano di massa continuo. Inoltre, per avere le la sezione di alimentazione il più vicina possibile al piano di massa, è meglio scegliere uno spessore dcl PCB inferiore al valore classico di 1.6mm. In genere fino a spessori di 0.6-0.7mm i produttori di PCB non applicano un sovraprezzo.
Per un PCB a 4 layer questa è la disposizione più comune dei layer.
Con questa disposizione esistono 3 criticità:
Il piano di alimentazione risulta distante dal piano di massa a causa dell’ampio strato dielettrico indicato come “Core”. Questo aumenta l’impedenza della rete di alimentazione
La corrente di ritorno (return current) dei segnali nel layer BOTTOM è nel piano di alimentazione mentre è preferibile che sia in un piano collegato alla net GND.
La disposizione dei layer non è simmetrica.
E’ meglio utilizzare una delle due configurazioni presentate sotto.
In quella più a sinistra nei layer TOP e BOTTOM sono presenti sia i segnali sia le NET di alimentazione che possono essere sbrogliate o come piste o come piani . Nei due layer interni sono presenti due piani di massa.
Nella configurazione più a destra, invece, nel layer TOP sono presenti sia i segnali sia le NET di alimentazione, nel layer successivo è presente un piano di massa. Nel terzo layer ci sono sia segnali sia NET di alimentazione. Nel quarto è presente un piano di massa.
Consideriamo adesso un PCB a 6 layer
La figura seguente mostra un esempio non ideale di PCB a 6 layer.
Perchè non è ideale?
Prima di tutto sono presenti due layer di segnale adiacenti (layer 3 e layer 4). Considera che un segnale ha associata una corrente di ritorno. Nello stack-up non ideale a 6 layer la corrente di ritorno dei segnali presenti nei layer 3 e 4 è nel layer 5.
Inoltre, il layer 5 non è un piano di massa ma un piano di alimentazione e per questo è più rumoroso di un piano di massa.
Infine, la ripartizione dei layer non è simmetrica.
Questa struttura , così come lo stack-up non ideale a 4 layer, funziona per circuiti provati in laboratorio dove i segnali non presentano commutazioni rapide. Non è una struttura adatta se si tratta di schede che devono lavorare in ambiente industriale e che devono essere soggette a prove di compatibilità elettromagnetica
La figura seguente mostra una configurazione simmetrica di PCB a 6 layer.
Nel layer TOP sono presenti segnali e una diffusione di massa (dove non sono presenti segnali ci sono aree di rame collegate alla NET GND). Il secondo layer è dedicato alle alimentazioni sbrogliate con piani o in alternativa con piste. Il terzo layer contiene segnali e una diffusione di massa. Il quarto layer contiene segnali insieme a piani associati alle NET di alimentazione. Nel quinto layer è presente un piano di massa continuo. Nel quarto layer ci sono segnali insieme a piani associati alle NET di alimentazione.
Per concludere, la figura seguente mostra come varia l’impedenza associata alla rete di distribuzione dell’alimentazione sia con una configurazione a 6 layer non ideale sia con la configurazione a 6 layer simmetrica. Con la prima configurazione il minimo dell’impedenza è circa 1Ohm. Con la seconda configurazione il minimo dell’impedenza è circa 0.1Ohm
