Los Diferentes Stack-Up de un PCB

¿Cuál es el mejor stack-up para nuestro PCB? Durante este artículo veremos varios de los tipos de los stack-up que podemos realizar en un PCB, con las ventajas e inconvenientes de cada uno ellos para diseñar nuestro PCB con una mayor robustez frente al EMI.

Pero primero, ¿qué es un layer stack-up? Un layer stack-up, a través de su traducción directa del inglés, es una pila de capas. Como es lógico, bajo nuestro punto de vista, hablaremos de stack-up como bien indica la traducción, como pila de capas, pudiendo almacenar o apilar así una tras otra generando un sándwich de planos de referencia, material dieléctrico y capas de rutado.

Pero lo interesante de estos stack-up no es cuantas capas podemos llegar a amontonar, sino la forma de hacerlo. Por ello, iremos desde los inicios de PCB de una capa hasta las PCBs de cuatro capas, ya que stack-ups de orden superior simplemente son combinaciones de todas ellos.

Stack-up de una capa

La PCB de una cara o cara simple, es la PCB más comúnmente usada en los prototipos de laboratorios.

La principal desventaja de estos PCB, es que al solo contar con solo una capa de cobre, y teniendo una densidad de pistas y componentes alta, debemos usar vías, como si un diseño de dos capas se tratara.

En este tipo de PCB, realizar vías es un problema dado que solo cuentan con una cara o capa de cobre útil, mientras que el otro lado de la superficie es material dieléctrico y aislante. Esto nos obliga o bien a omitirlas donde se puede, o realizar puentes con un material conductor, ya sea cable u otro tipo de conductor. 

Sin embargo, frente a estas desventajas presenta otras muchas ventajas, dado que presenta la posibilidad de realizar el diseño de una manera manual, en vez de industrial, de hecho, se han usado hasta la actualidad debido a su versatilidad y comodidad para realizar prototipos o diseños de bajo coste.

PCB de una capa.

Stack-up de dos capas

Las PCB de doble cara o de dos capas, son las PCBs más demandadas para prototipos junto con las de cuatro capas, y a su vez, la solución para las desventajas de las PCB simples de una sola cara.

El “stack-up” de dos caras, presenta la ventaja de que respecto a la de una, disminuirá notablemente la densidad de componentes por capa, dado que podremos usar ambos planos externos conductores para situar los componentes y también, la densidad de rutado será menor dado que contará con mayor superficie; en este caso el doble que la de una cara en mismas dimensiones.

Señal-GND/Señal-GND

Esta distribución es la más usada para este tipo de montajes, aunque puede ser solución y a la vez causa de problemas.

Usar ambos planos de cobre con dieléctrico entre medias para realizar nuestro PCB tiene la ventaja, como hablamos con anterioridad, que contaremos con mayor superficie para rutar y disponer nuestros componentes, pero no debemos olvidar que, en este caso, ambas pistas ya sean en la capa superior como en la inferior son coplanares.

Este término, es conocido para diseñadores familiarizados con el mundo de la radio frecuencia, y no es más que una pista rutada entre planos de referencia, lo que puede llevar, si no hay un correcto control de impedancias, al famoso efecto de “bounce” o rebote, generando en el plano de referencia oscilaciones, afectando así al resto del diseño.

Pista coplanar entre el plano inferior de referencia y el superior.

 

El problema es que, si queremos tener un control de impedancias de las pistas en capas y no tenemos un plano de referencia sólido, todo ello puede resultar un tanto desastroso. Además, este tipo de PCBs nos hacen más susceptibles al campo electromagnético que stack-ups de orden superior ya sean cuatro, seis, simetrías o combinaciones de estos.

Para ello, una de las técnicas más usadas, para evitar al menos generar problemas de campo electromagnético dentro del mismo PCB, es rutar la cara superior con pistas en dirección X y la cara inferior en dirección Y.

Stack-up típico para dos capas.

Señal-GND/Plano GND

Con este stack-up reduciremos la superficie de rutado, pero pese a ello, al introducir la capa inferior como plano de referencia, nuestros lazos de corriente serán más fáciles de realizar, y por tanto, los problemas de “bounce” del stack-up anterior se ven solventados.

Stack-up Señal-GND con Plano GND inferior.

Ahora solo queda elegir entre mayor densidad de pistas y componentes, o mejores respuestas a la susceptibilidad de campo.

Stack-up de 4 capas

Las PCBs de 4 capas, son unas de las PCBs más realizadas como alternativa a todas los stack-up nombrados con anterioridad, y una de las soluciones más usadas en el mundo del EMI, SI y PI. Esto es debido, a que muchas veces adquirir un orden de pila de capas superior, no implica tener mayor superficie para rutar, si no que implica más robustez en el diseño y menor sensibilidad al espectro electromagnético. Y, ¿a qué se debe esto?. Pues bien, las PCBs de 4 capas tienen dos de los Stack-up más robustas a ser inmunes a las ondas de RF.

Plano GND, Señal-GND, Señal-GND, Plano GND

Este stack-up es uno de los más robustos frente a la potencia inducida por otros dispositivos en nuestro PCB, esto es debido a que al tener rutadas las capas interiores del mismo, y planos de referencia rodeando a ellas mismas, estos permiten que ninguna señal penetre en estas y genere perturbaciones.

Lo habitual en estos diseños, es colocar como no puede ser de otra manera, los componentes por las superficies externas, y a través de una vía, hacer el rutado por las capas internas.

El inconveniente de este diseño es que dependiendo de el tipo del tipo de líneas de transmisión de datos podemos vernos afectados por el “crosstalk” entre pistas.

Crosstalk generado entre pistas adjuntas en una misma capa. Enlace.

 

Señal-GND, Plano GND, Plano PWR, Señal GND

Este stack-up es el más usado habitualmente para los prototipos rápidos. Nos ahorra pensar por qué camino tenemos que distribuir la energía, es decir, evitamos realizar las pistas de distribución de alimentación a los componentes, lo cual no es recomendable.

Realizar este tipo de apilamiento nos permitirá reducir la superficie de rutado frente a otros, pero sin embargo puede generar problemas de radiación y susceptibilidad en la capa externa inferior. Pese que la capa superior externa quede aislada de cualquier tipo de ruido generado por el propio PCB, y sea levemente susceptible a radiaciones externas.

Debemos recordar que, para tener un diseño robusto y fuerte, tenemos que asegurarnos de generar el menor ruido o perturbación electromagnética dentro de nuestro PCB, ya que así solo nos preocupamos en el futuro de lo susceptible que sea a la radiación de otros dispositivos.

Stack-up Señal-GND/Plano GND/Plano PWR/Señal-GND.

 

Señal-GND, Plano GND, Plano GND, Señal GND

Este stack-up es uno de los más robustos y simples, presentando la alternativa al fabricante de reducir ruido y emisión de energía de su PCB de dos capas, transformándolo a uno de cuatro integrando simplemente dos planos de referencia entre medias.

Este tipo de stack-up, es conocido como el PCB de tres capas. La ventaja de este es que si suprimimos los planos de referencia del diseño de dos capas, que habitualmente y debido a la densidad de pistas, generan pequeñas islas de cobre muy sensibles a la radiación, y usamos los planos internos, podemos obtener un diseño cuya energía radiada será absorbida por el propio PCB debido a la alta densidad de cobre en el plano de referencia, reduciendo así nuestros niveles en emisión.

Stack-up recomendado para PCB de 4 capas.

Ahora que ya sabemos las ventajas e inconvenientes de cada uno de los stack-ups para un PCB, podemos elegir cuál de ellos implementaremos en nuestro próximo diseño y cuál es el mejor para nuestro diseño sea cómodo y eficiente. 

Acerca del autor

Jorge De Castro Casares


Jorge de Castro es investigador de proyectos I+D+i para el Instituto de Investigación ITAP (Instituto de Tecnologías Avanzadas de la Producción), de la Universidad de Valladolid.

Además, trabaja como Director de Innovación en desarrollo electrónico en Agrosmart Solutions S.L.

Cuenta con años de experiencia como técnico de ensayos de EMC, y como diseñador de PCBs en diferentes industrias: telecomunicaciones, IOTs y electrónica de control.

Jorge de Castro is a researcher of R+D+i projects for the ITAP Research Institute (Institute of Advanced Production Technologies), of the University of Valladolid (Spain).

In addition, he Works as a Director of Innovation in electronic Development at Agrosmart Solutions S.L.

With years of experience as an EMC testing technician, and as a designer of PCBs in different industries: telecommunications, IOTs and control electronics.

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