Un PCB a sei strati può offrire più spazio per instradare i segnali e distribuire l’alimentazione rispetto a una costruzione più semplice, ma il solo numero di strati non indica quali saranno le prestazioni della scheda. La decisione importante riguarda l’assegnazione dei ruoli agli strati di rame, i percorsi di ritorno dei segnali critici e la capacità del produttore di realizzare e verificare la geometria proposta.

Consideriamo due configurazioni concettuali dei ruoli degli strati, dall’alto L1 al basso L6:

S-G-S-S-G-S: quattro strati destinati ai segnali e due destinati alla massa.
S-G-S-P-G-S: tre strati destinati ai segnali, due destinati alla massa e uno destinato all’alimentazione.

Nessuna delle due rappresenta una sezione fisica realizzata. I ruoli non specificano lo spessore del rame, la distanza tra gli strati determinata dai dielettrici, il materiale né la quantità di rame rimanente dopo l’instradamento e l’applicazione delle distanze di isolamento. In entrambe le configurazioni possono essere presenti piste o aree di rame per l’alimentazione; uno strato destinato ai segnali non è necessariamente riservato solo a questi.

Solo ruoli degli strati, non una sezione fisica né una specifica di fabbricazione.

Per una panoramica più ampia delle scelte architetturali, consulta la guida alla progettazione dello stackup PCB.

Un progetto ipotetico per il confronto

Supponiamo di progettare una scheda rigida con:

Instradamenti critici su entrambi gli strati esterni.
Almeno un instradamento critico che deve utilizzare uno strato interno.
Più linee di alimentazione che devono raggiungere componenti distribuiti sulla scheda.

Le dimensioni e i materiali non sono ancora stati scelti. Il compito immediato è selezionare una configurazione iniziale degli strati e identificare ciò che deve essere verificato prima della consegna al produttore.

Opzione 1: S-G-S-S-G-S

Strato	Ruolo concettuale
L1	Segnale
L2	Massa
L3	Segnale
L4	Segnale
L5	Massa
L6	Segnale

Questa configurazione offre al progetto ipotetico due strati interni destinati ai segnali. L3 è adiacente alla massa su L2, mentre L4 è adiacente alla massa su L5. Questa ulteriore opzione di instradamento interno può essere utile quando gli instradamenti critici esterni e gli altri collegamenti competono per lo spazio disponibile.

Anche gli strati di segnale centrali sono adiacenti tra loro. L’entità dell’eventuale accoppiamento tra gli instradamenti su L3 e L4 dipende dalla geometria e dall’instradamento effettivi: è quindi necessario verificarne la relazione, anziché presumere che gli strati di massa li isolino.

In questa configurazione non è presente uno strato dedicato all’alimentazione. Le diverse linee devono comunque essere distribuite mediante rame opportunamente disposto, ad esempio con piste o aree di rame, tenendo conto dello spazio disponibile per l’instradamento e dei requisiti elettrici. Anche queste aree di rame possono influire sulla copertura di riferimento disponibile per i segnali vicini.

Opzione 2: S-G-S-P-G-S

Strato	Ruolo concettuale
L1	Segnale
L2	Massa
L3	Segnale
L4	Alimentazione
L5	Massa
L6	Segnale

Questa configurazione offre al progetto ipotetico uno strato destinato all’alimentazione, ma un solo strato interno destinato ai segnali. Può essere un punto di partenza utile quando la distribuzione delle diverse linee di alimentazione è una questione prioritaria e L3 dispone di spazio sufficiente per instradare i segnali interni.

L3 si trova tra la massa su L2 e l’alimentazione su L4, quindi un instradamento su L3 può accoppiarsi a entrambi. Non lo si deve descrivere come dotato di un riferimento esclusivamente a massa senza verificare il rame e le distanze effettive. Se parte della corrente di ritorno utilizza il rame di alimentazione come riferimento, il progetto richiede anche un adeguato percorso di ritorno in corrente alternata verso massa. La configurazione della distribuzione dell’alimentazione e del disaccoppiamento deve essere considerata parte di tale percorso.

Uno strato destinato all’alimentazione non implica necessariamente un unico piano continuo. Più linee di alimentazione possono richiedere regioni di rame separate e distanze di isolamento. Occorre verificare in che modo questi confini influiscano sugli instradamenti su L3 e sui relativi percorsi di ritorno.

Come scegliere per l’esempio

Inizia assegnando gli instradamenti critici noti, senza dichiarare a priori che una configurazione sia migliore:

Posiziona gli instradamenti esterni. In entrambe le opzioni, L1 è adiacente alla massa su L2 e L6 alla massa su L5. Verifica che il rame di massa sia effettivamente presente sotto ogni instradamento critico, anche in corrispondenza delle distanze di isolamento e di altre interruzioni.
Posiziona l’instradamento interno. Nella prima opzione, valuta L3 rispetto alla massa su L2 oppure L4 rispetto alla massa su L5, controllando anche lo strato di segnale interno adiacente. Nella seconda, posiziona l’instradamento su L3 e valuta sia il rame di massa su L2 sia quello di alimentazione su L4 nelle sue vicinanze.
Definisci la distribuzione delle linee di alimentazione. Confronta lo spazio di instradamento e l’area di rame che richiedono nelle due opzioni. Nella seconda, esamina i confini proposti tra le linee su L4; nella prima, esamina come le piste o le aree di rame di alimentazione competono con l’instradamento dei segnali e il rame di riferimento.
Esamina le transizioni tra strati. Un instradamento che cambia strato cambia anche l’ambiente in cui scorre la sua corrente di ritorno. Verifica il percorso completo attorno a ogni transizione, non solo il via del segnale.

Per esempio, se un instradamento critico passa da L1 a L6, lo strato adiacente destinato alla massa cambia da L2 a L5. Un collegamento di massa proposto vicino alla transizione può contribuire a fornire un percorso di ritorno, ma la sua adeguatezza dipende dal rame effettivo, dal posizionamento dei via e dalla geometria. Analogamente, una transizione che coinvolge un riferimento di alimentazione richiede un adeguato percorso in corrente alternata tra quel rame di alimentazione e la massa.

Per una transizione da massa a massa, schematizza insieme i collegamenti del segnale e della massa:

                 signal via    ground via
L1  signal  ---------+             |
                     |             |
L2  ground  ---------|-------------+
                     |             |
L3  inner copper     |             |
                     |             |
L4  inner copper     |             |
                     |             |
L5  ground  ---------|-------------+
                     |             |
L6  signal           +---------    |

Il collegamento verticale di massa rappresenta un via metallizzato vicino alla transizione che unisce il rame di L2 e L5 appartenente alla stessa rete di massa. Il disegno non mostra le distanze di isolamento, gli altri strati attraversati dai via né il percorso completo della corrente. Verifica la connettività effettiva dei piani, il posizionamento dei via, gli antipad e la geometria della rete critica. La sola presenza del via non dimostra che il percorso di ritorno sia adeguato.

L’opzione migliore è quella che soddisfa le esigenze di instradamento e di distribuzione dell’alimentazione dell’esempio dopo queste verifiche, con una geometria confermata dal produttore. Il solo ordine concettuale degli strati non è sufficiente per stabilirlo.

Per approfondire la pianificazione del rame di massa e di alimentazione, consulta la guida alla progettazione PCB di massa e alimentazione. La guida alla progettazione PCB ad alta velocità illustra le considerazioni sull’instradamento e sui percorsi di ritorno dei segnali critici.

Checklist per ogni rete critica

Usa questa checklist per ogni rete critica, includendo ciascuna porzione che si trova su uno strato diverso:

Strato del segnale: quale strato ospita l’instradamento e dove avvengono i cambi di strato?
Riferimento adiacente: a quale rame di massa o di alimentazione adiacente può accoppiarsi l’instradamento? Per L3 in S-G-S-P-G-S, considera entrambi gli strati adiacenti.
Copertura effettiva: il rame pertinente è presente lungo l’instradamento, anziché avere soltanto un ruolo assegnato di massa o alimentazione?
Vuoti e confini: le distanze di isolamento, i vuoti nel rame o i confini tra linee di alimentazione interrompono o modificano il riferimento disponibile?
Percorso di ritorno nella transizione: come può scorrere la corrente di ritorno quando il segnale cambia strato o rame di riferimento? Se è coinvolta l’alimentazione, che cosa fornisce il percorso in corrente alternata verso massa?
Geometria confermata dal produttore: sono stati confermati il rame effettivo, le distanze, i materiali e le tolleranze di fabbricazione per la costruzione proposta?
Verifica: quali analisi, controlli o misurazioni sono concordati per la rete e la costruzione, e chi ne esaminerà i risultati?

Un diagramma degli strati, da solo, non risponde a queste domande.

Conferma la costruzione prima di definire le dimensioni

Invia al produttore la configurazione preferita come proposta iniziale. Richiedi uno stackup realizzabile con materiali, spessore della scheda, rame, distanze e tolleranze specifici per il progetto, quindi confronta la costruzione ricevuta con le ipotesi relative alle reti critiche.

Verifica la somma degli spessori

Questo esempio aritmetico utilizza sei strati di rame con spessore nominale di 0,035 mm. Illustra una verifica degli spessori per la prima configurazione dei ruoli degli strati; non è una costruzione standard APTPCB, una garanzia dello spessore della scheda finita né un progetto di impedenza.

Dall’alto verso il basso	Spessore nominale (mm)
Rame di segnale L1	0,035
Dielettrico L1–L2	0,100
Rame di massa L2	0,035
Dielettrico L2–L3	0,200
Rame di segnale L3	0,035
Dielettrico L3–L4	0,500
Rame di segnale L4	0,035
Dielettrico L4–L5	0,200
Rame di massa L5	0,035
Dielettrico L5–L6	0,100
Rame di segnale L6	0,035
Totale nominale	1,310

Il calcolo è 6 × 0,035 mm di rame più 1,100 mm di dielettrico. Esclude la maschera di saldatura, la finitura superficiale e le variazioni dovute alla metallizzazione e alla fabbricazione. La distribuzione effettiva del rame, la costruzione dei dielettrici, lo scorrimento della resina durante la pressatura e le tolleranze richiedono una verifica da parte del produttore. Questa tabella, da sola, non fornisce né una larghezza di pista né un valore di impedenza.

Discuti anche la simmetria della costruzione effettiva. È un aspetto produttivo che merita una verifica, ma un piano degli strati nominalmente simmetrico non garantisce l’assenza di imbarcamento.

Se l’impedenza rientra nei requisiti del progetto, concorda con il produttore il valore obiettivo, la tolleranza e il metodo di verifica. Un coupon di prova può supportare una verifica concordata dell’impedenza per la costruzione; non verifica ogni instradamento sulla scheda finita. Per interpretare questi risultati, consulta la guida su come leggere un report TDR di un coupon di impedenza.

Documenta i ruoli definitivi degli strati e le ipotesi che influiscono sugli instradamenti critici insieme alla costruzione confermata. La guida alla documentazione dello stackup approfondisce la consegna al produttore.

Per discutere una costruzione proposta, richiedi un preventivo oppure contatta APTPCB, fornendo la configurazione degli strati, i requisiti delle reti critiche e le domande che richiedono ancora una conferma da parte del produttore.

Riferimenti tecnici

I documenti Texas Instruments SCAA082A e SPRU889 sono riferimenti primari pertinenti per il layout PCB ad alta velocità e le considerazioni sulle interfacce. Applica le loro indicazioni al circuito effettivo e alla costruzione confermata, anziché considerare una delle configurazioni concettuali precedenti come una specifica definitiva.