Placas de Circuito Impresso Multicamadas

Placas de Circuito Impresso

Muitas vezes muitos de nós, que trabalhamos ou estudamos circuitos eletrônicos, nos deparamos com a seguinte questão: essa placa de circuito impresso que vou projetar precisa ser multicamadas? O que ganho com isso? Mais trabalho? E todo esse esforço compensa? Mas, a placa feita em multicamadas encarecerá meu projeto eletrônico - isso não é ruim?

 

Sabemos, pela teoria de circuitos eletrônicos e eletromagnetismo, que placas de circuitos impressos multicamadas têm melhor performance eletromagnética, possibilitam equipamentos menores, com circuitos integrados novos (que apenas estão disponíveis em encapsulamento BGA) e, de certa forma, evitam dor de cabeça e diminuem o custo de engenharia. Muitas vezes a escolha por placas de circuito impresso de 2 layers é devido principalmente ao preço - mas… até onde essa decisão compensa?

 

Placas-de-Circuito-Impresso
Figura 1: Típico Layout em Placas de Circuito Impresso com 2 layers

 

 

 Campos eletromagnéticos

 

Os campos eletromagnéticos gerados por correntes que circulam na superfície de placas convencionais de face simples ou dupla e que emanam por todo o ambiente não são guiados por um condutor de retorno controlado (um plano de referência de terra. Este pode ser apontado como o grande problema das placas dupla face ou face simples. Mais do que isso até, não só não voltam para o terra, como tendem a terminar em trilhas de circuitos adjacentes. Essa interferência pode causar mau funcionamento - e o pior, isso pode acontecer apenas de vez em quando… Esse fenomêno de indução indesejada é conhecido como crosstalk e sempre é uma dor de cabeça para projetistas de circuitos eletrônicos. Muitos desses campos também irradiam para a superfície de toda a placa e também para todo o ambiente ao redor. Se acoplada a uma trilha de um circuito próximo, pode amplificar o sinal que passa por ela, pois usa a placa como uma grande antena. E quanto maior for a trilha e maior for seu loop, maior é essa amplificação e o prejuízo para o sistema e ambiente ao redor.

 

A principal proposta das placas de circuito impresso multicamadas é de planos de terra e alimentação nos planos no meio da placa. Os retornos de corrente para circuitos em placas multilayers são bem curtos, se o layout é feito de forma que o terra vá direto do fim do circuito para camada de terra. Dizemos que esse terra é “forte” pois não permite que correntes indesejadas fiquem “passeando” pela placa, acoplando em outros circuitos e causando interferências, “sujando” o ambiente com radiação eletromagnética indesejada e atrapalhando sinais fundamentais para o funcionamento dos circuito da placa. Esse é um dos motivos pelos quais é recomendado que os planos de terra e alimentação sejam colocados entre layers, no interior da placa de circuito impresso.

 

A utilização de placas de circuito impresso multicamadas nos permite fazer com que a corrente retorne ao terra  por um caminho menor, conforme explicado acima. Isso diminui também a susceptibilidade dos circuitos eletrônicos a Interferencias eletromagneticas (EMI) externas.

 

O uso de planos de alimentação e terra também diminui a impedância na distrubição de energia, essencial para um bom desacoplamento da fonte de alimentação.

 

Colocar os sinais entre os planos de terra e alimentação é uma ótima idéia pois esses layers agem como um escudo contra radiação externa (principalmente proteção contra descargas eletromagnéticas - ESD) e também reduzem a radiação emitida pelos sinais que percorrem essas vias. Ou seja, a emissão medida do lado de fora do equipamento é bem menor. Equipamentos que passam por certificação precisam de tal rigor. Em laboratórios regulamentados pode-se verificar a quantidade de emissão de determinados equipamentos eletrônicos que, muitas vezes precisam ser certificados.

 

Placas-de-circuito-impresso-ESD
Figura 2: Trilhas de alta velocidade entre camadas de alimentação e terra aumentam a proteção contra ESD

 

 

Disposição dos sinais em diferentes camadas

 

São comuns atualmente placas de circuito impresso com 4, 6 e 8 layers. Placas com mais layers são encontradas em Motherboards e equipamentos mais sofisticados.

 

Vou falar um pouco de como dispor as trilhas em uma placa multicamadas de 4 layers. Primeira idéia de projeto: assumamos a Camada 1 como sendo a de TOP ou lado componente e Camada 4 como BOT ou lado solda, as camadas 2 e 3, que ficam no meio da placa, uma sendo plano de terra e a outra o de alimentação, com diversas alimentações se o circuito demandar. Essa proposta leva em conta que existem poucos ou nenhum sinal de alta velocidade na placa. Uma segunda idéia de projeto de uma placa de circuito impresso de 4 camadas já leva em consideração que existem diversos sinais de alta velocidade no circuito. É uma ótima idéia rotear esses sinais velozes como os do barramento USB ou HDMI, por exemplo, ou clocks de alta velocidade de sincronia de diferentes circuitos, entre os layers de terra e alimentação para eliminar a radiação promovida por esses sinais. Se uma grande capacitância existir entre os caminhos, tanto o plano de terra quanto o plano de alimentação podem ser usados como planos de referência. É interessante que, também para diminuir a emissão desses sinais, as trilhas fiquem no centro da placa, longe das bordas. Toda essa blindagem física (escondendo as trilhas de transição rápida de estado) funciona como um escudo para radiação, diríamos, como uma mini-gaiola de Faraday. Existem diversos softwares que ajudam a calcular a impedância e velocidade de propagação de ondas em cada circuito e camada, dependendo das características de cada trilha.

 

É importante abrir aqui um parênteses para lembrar que clocks de cristais externos para processadores devem ter suas trilhas bem curtas - o menor possível. Se isso for feito não há necessidade de rigor com esses sinais.

 

Abaixo ilustro as duas idéias distintas de placas de circuito impresso multicamadas de 4 camadas.

 

Proposta de PCI multicamadas com 4 camadas simples
Figura 3: Proposta de placas de circuito impresso multicamadas com 4 camadas simples

 

 

 

Proposta que envolve sinais de alta velocidade para PCI de 4 camadas.
Figura 4: Proposta que envolve sinais de alta velocidade para placas de circuito impresso de 4 camadas.

 

 

As figuras 5 e 6 a seguir continuam nessa linha, mostrando que a boa prática de construção de circuitos eletrônicos prevê que circuitos de alta velocidade fiquem protegidos no meio das camadas de terra e alimentação.

 

Proposta que envolve sinais de alta velocidade em placas de 6 camadas.
Figura 5: Proposta que envolve sinais de alta velocidade em placas de circuito impresso de 6 camadas.

 

 

Placa de 8 camadas. Reparem que sempre um plano de alimentação ou de terra está ao lado de um plano de sinais.
Figura 6: Placas de circuito impresso de 8 camadas. Reparem que sempre um plano de alimentação ou de terra está ao lado de um plano de sinais.

 

 

Além de todas essas dicas, ainda existe uma prática que reduz, e muito, o crosstalk, induzido entre diferentes trilhas. Trilhas de camadas alternadas devem ser roteadas de forma que as trilhas de uma camada tenham 90 graus em relação a outra trilha.

 

Pra sistemas que precisam passar por homologação e para os quais se exige compatibilidade eletromagnética aferida por normas pré-estabelecidas por órgãos de regulamentação de equipamentos, utilizar placas de 2 layers é extremamente inviável (a não ser que sejam placas extremamente simples).

 

 

Resumo sobre placas de circuito impresso

 

Com as placas de circuito impresso ficando cada dia mais baratas, com os sistemas e chips sendo miniatuarizados cada vez mais e a velocidade dos barramentos exigindo, além de rigor profundo no roteamento, ferramentas que conferem se as linhas de transmissão estão corretas e não possuem descasamento, as placas de 1 ou 2 layers passam a ser peças de museu.

 

Erradicar o problema pela raiz, se prevenir quando faz o projeto do primeiro layout ao invés de correr atrás de corrigir os problemas depois que a placas de circuito impresso está pronta faz sentido. Isso diminui o ciclo de desenvolvimento, tem um time-to-market menor e dá longevidade ao projeto eletrônico.

 

Quando selecionamos um projeto de placa de circuito impresso multicamadas devemos levar em consideração:

  • Uma camada de sinais deve sempre ficar próxima a uma camada de terra ou alimentação. Essa camada de sinais deve ser bem próxima a camadas próximas - ficar bem acoplada.
  • As camadas de terra e alimentação devem ser utilizadas para retornar sinais. Sempre que um circuito terminar em terra ou alimentação, deve ser rotacionado no menor caminho até este plano, utilizando vias.
  • Utilizar boas práticas de projeto e fazer sempre um roteiro de verificação
  • Custo - placas multicamadas são mais caras. Utilizar placas menores e com menos furos deixa a placa mais barata. Vias cegas (blind vias), que furam apenas entre layers, são processos caros e encarecem também a placa. O custo mais elevado de uma placa multicamada pode ser justificado pelo menor índice de problemas futuros ou tentativas de layout até o circuito realmente "funcionar".

 

 

Referências

 

  • http://www.ti.com/lit/ml/sloa089/sloa089.pdf
  • EMC for Product Designers - Tim Williams
  • http://www.icd.com.au/articles/emc.html
  • http://www.icd.com.au/articles/Stackup_Planning_AN2011_2.pdf
  • Advanced Design for SMT – Barry Olney
  • Design for EMC – Barry Olney (www.icd.com.au/articles/emc.html)
  • DDRx Application Note – Barry Olney (www.icd.com.au/articles/DDRx_AN2010.pdf)
  • IPC-2141A - Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards
  • IPC-2251 - Design Guide for the Packaging of High Speed Electronic Circuits
  • EMC and the Printed Circuit Board - Montrose
  • Conceitos Básicos de Compatibilidade Eletromagnética - Marcio Hugo Caloi
  • Digital Design for Interference Specifications - A Practical Handbook for EMI suppression David L. Terrell R. Kenneth Keenan

NEWSLETTER

Receba os melhores conteúdos sobre sistemas eletrônicos embarcados, dicas, tutoriais e promoções.

Obrigado! Sua inscrição foi um sucesso.

Ops, algo deu errado. Por favor tente novamente.

Thiago Lima
Apaixonado por sistemas digitais e circuitos eletrônicos, ja contabilizo 16 anos trabalhando com desenvolvimento de produtos eletrônicos. Formado na USP Sao Carlos, com mestrado em Engenharia Elétrica no Rochester Institute of Technology pelo CsF, atualmente lidero boa parte das operações do Embarcados, buscando levar conhecimento de sistemas eletrônicos para o Brasil. Experimentar o mundo das startups nos EUA foi transformador. La fui cofundador de uma startup de tecnologia chamada Una, sendo acelerado e incubado por um programa especial de Startups no RIT. Ao final, recebemos um prêmio de melhor startup do programa. No Laboratório Hacker de Campinas sou um dos entusiastas de novas tecnologias e apoio iniciativas da comunidade. Tambem participo de atividades comunitarias e sou um dos responsáveis pela Plataforma Ituiutaba Lixo Zero, onde escrevo regularmente artigos sobre redução de resíduos. Sou sonhador mesmo e quero acender a luz ?

18
Deixe um comentário

avatar
 
11 Comment threads
7 Thread replies
1 Followers
 
Most reacted comment
Hottest comment thread
14 Comment authors
Pablo CruzEuclides Franco de RezendeFernando Almeida StockGuestGuest Recent comment authors
  Notificações  
recentes antigos mais votados
Notificar
Pablo Cruz
Visitante
Pablo Cruz

Ótimo, Parabéns pelo trabalho.

Matheus Quick
Visitante
Matheus Quick

Muito bom o artigo, me tirou várias dúvidas.

Fabio Alexandre
Visitante
Fabio Alexandre

Parabéns Thiago, você é mais um homem de valor na sociedade. Torço para que existam cada vez mais profissionais nesse meio para que o futuro seja um futuro onde máquinas trabalhem e pessoas vivam. Até mais.

Euclides Franco de Rezende
Membro
Euclides Franco de Rezende

Que placa é essa (MSXARM)? Foi montada e testada? Funcionou direitinho?

trackback
Indutância Mútua e Área de Loops em PCIs

[…] exemplo prático é a placa multicamadas. Ela faz com que os loops de retorno se tornem muitíssimo pequenos. Se sempre que o layoutista, ao […]

Guest
Visitante
Guest

A placa de 4 layer:

Guest
Visitante
Guest

Alitum Designer 2013(http://www.altium.com/en/products/altium-designer). Usei os modelos 3d de http://www.3dcontentcentral.com/

Mudei o conector HDMI de posicao por causa da equalizacao do comprimento das trilhas que se mostrou impossivel a um angulo de 90 graus entre os pinos da FPGA e conector HDMI. Agora ficou assim:

Guest
Visitante
Guest

Alitum Designer 2013, http://www.altium.com/en/products/altium-designer Usei os modelos 3d de http://www.3dcontentcentral.com

Mudei o conector HDMI de posicao por causa da equalizacao do comprimento das trilhas que se mostrou impossivel a um angulo de 90 graus entre os pinos da FPGA e conector HDMI. Agora ficou assim:

Rogerio Machado
Membro
Rogerio Machado

Excelente artigo. Tenho uma observacao em relacao ao "stackup layer" da figura 4(Placa de 4 camadas). O circuito integrado eh montado no layer 1. Entao para ter uma boa integridade de sinal os sinal de alta velocidade deveriam estar neste layer!?? Fiz o design de uma placa 4 camadas recentemente com esse stackup(http://blog.oshpark.com/kb/4-layer-stackup):

1)- Sinal de alta velocidade. O lado dos componentes

6.7mil espacamento
2) - GND

47 mil espacamento ( 47 mil >>> 6.7 mil)
3) - VCC

6.7 mil espacamento
4) - Sinais de baixa velocidade

????

Fernando Almeida Stock
Membro
Fernando Almeida Stock

Gostei muito do artigo e nesse segmento gostaria de saber se há algum curso para aperfeiçoamento no desenvolvimento de PCIs, o que você recomenda?
Obrigado e parabéns pelo artigo!

Filipe Teixeira
Membro
Filipe Teixeira

Ótimo artigo, se não for pedir demais, gostaria de um artigo sobre técnicas para mitigar problemas com ensaios de Burst e Surge. xD

Ademar Cerqueira
Membro
Ademar Cerqueira

Obrigado pelas dicas.

Eduardo Scherrer
Membro
Eduardo Scherrer

Artigo excelente.