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O que é Costura (Stitching Via) em Design de PCB e Você Precisa Dela
Ao examinar layouts de placas de circuito impresso (PCBs), muitas pessoas consideram que os vias de costura (stitching vias) são insignificantes, pois geralmente são representados como pequenos objetos repetitivos arranjados de forma repetitiva, muitas vezes lembrando um padrão industrial.
A maioria dos engenheiros utilizará vias de "stitching" após concluírem o roteamento de sua placa de circuito impresso e terem preenchido o cobre. Geralmente, eles adicionam algumas vias de "stitching" na periferia da PCB e consideram aceitável. Elas nem sempre funcionam; portanto, é importante usar vias de "stitching" adequadamente.
Muitos não reconhecem que as vias de costura (stitching vias) fazem parte da estrutura eletromagnética da placa de circuito impresso (PCI) e controlarão os caminhos de retorno. Elas reduzirão as emissões de interferência eletromagnética (EMI) da placa de circuito impresso, aumentarão a condutividade térmica do cobre e até fornecerão estabilidade mecânica adicional à PCI. Uma vez que os engenheiros vejam as vias de costura como um elemento estrutural de suas PCIs, eles começarão a observar um desempenho aprimorado em suas placas.
Este artigo não fornece regras para o uso de vias de costura no que diz respeito a diretrizes gerais de projeto, mas sim o raciocínio por trás da importância das vias de costura e como utilizá-las corretamente.
O que uma Costura Crimpada Realmente Faz
Em termos básicos, um via de costura é usado para conectar áreas de cobre entre camadas em uma PCB. Mais especificamente, ele conecta planos de aterramento normalmente esmagados durante projetos de PCB multicamadas; entretanto, esta explicação simples não transmite muito sobre a intenção das costuras.
Planos de terra criados por projetos de PCI multicamadas terão múltiplas camadas de conexões; se não houvesse vias de costura, haveria apenas alguns pontos de conexão entre esses planos (pads de die e pads de montagem). Isso fará com que o plano de terra se comporte incorretamente devido ao fato de que o fluxo de corrente pode ser desigual, além de causar problemas de impedância.
A conjunção de vias auxilia no estabelecimento de caminhos de baixa impedância verticalmente entre as camadas na placa. Essa conexão vertical atende a algumas funções críticas.
Uma das formas de melhorar o fluxo da corrente de retorno, sinais de alta velocidade e níveis lógicos digitais dependem fortemente de um plano de referência contínuo para o funcionamento adequado. Se não houver um plano de referência ou uma lacuna nele, o sinal de retorno terá que percorrer uma distância maior, o que pode criar alta interferência eletromagnética (EMI) ao redor da trilha devido ao aumento da área do loop, resultando em mau funcionamento. Um via de costura (stitching via) reduzirá o comprimento total do loop de corrente vertical, diminuindo assim a impedância indutiva respectiva.
O segundo item é manter a transmissão de um campo eletromagnético. Um plano de malha atuará como uma cerca em torno de um traço de alta velocidade ou da borda de uma placa e eliminará virtualmente a radiação e reduzirá a suscetibilidade da placa.
Uma vez compreendido o impacto do detalhe de costura (controle de loop atual e contenção de campo eletromagnético), um projeto não será mais desenvolvido com um método aleatório de execução dessa função.
Costura de Vias e Controle de Corrente de Retorno
A suposição de que a corrente de retorno em uma placa de circuito impresso se espalha uniformemente pelo plano de terra pode levar a problemas no projeto da placa. Na realidade, a corrente de retorno não se espalha uniformemente ao retornar da carga para a fonte; a corrente de retorno viaja pelo caminho de menor impedância, que geralmente será verticalmente para baixo através do plano de terra sob o traço do sinal, criando um caminho de corrente de retorno vertical.
Quando a trilha de sinal atravessa a placa passando por um furo de via, existe o potencial de não haver um caminho de corrente de retorno, pois de um lado para o outro do furo de via há um plano de referência diferente. Nesse caso, a corrente de retorno é forçada a viajar lateralmente através do plano de referência para encontrar a conexão mais próxima para retornar à fonte, e como resultado, a área do loop aumenta. O aumento da área do loop se traduz em maior radiação e ruído sendo emitidos da carga.
Para minimizar a EMI, se você colocar vias de interligação próximas à via do sinal, estará fornecendo um caminho de retorno vertical para a corrente de retorno. A adição da via de interligação diminuirá significativamente os problemas de EMI. A localização da via de interligação é encontrada após os engenheiros falharem nos testes de EMC; eles então fazem as modificações necessárias e observam uma drástica diminuição nas emissões.
Costura nas Bordas da Placa
A costura das bordas da placa é amplamente vista em projetos digitais de RF e alta velocidade.
Ao observar placas de RF, é comum notar uma fileira de vias de terra no perímetro/borda da PCB. Como as vias de "stitching" (conexão) são localizadas ao longo das bordas, cria-se uma estrutura de quase-cavidade (os planos de terra superior e inferior são conectados em intervalos regulares, formando assim uma barreira à irradiação de borda).
Isso é de particular importância em projetos de alta velocidade de borda, como DDR, PCIe, USB 3.x ou transmissores de RF. Mesmo que seu projeto não seja estritamente de RF, sinais digitais rápidos agirão como sinais de RF.
O espaçamento é importante aqui, pois se as vias forem espaçadas muito longe umas das outras, elas deixarão de funcionar como uma cerca. Uma boa regra prática para o espaçamento é mantê-lo abaixo de 1/10 do comprimento de onda da frequência mais alta de interesse. No entanto, muitos projetistas utilizam espaçamentos entre 2mm e 5mm, dependendo de suas restrições de projeto.
Benefícios Térmicos de Vias de Costura
Na maioria das vezes, quando falamos sobre "stitching vias", focamos em questões de EMI. No entanto, os "stitching vias" auxiliam termicamente também. Planos de cobre podem espalhar calor por toda a placa; no entanto, se você gerar calor em uma camada de cobre e o cobre em outra camada não estiver adequadamente conectado à primeira, o aquecimento não se espalhará com tanta eficiência.
Ao posicionar "stitching vias" em áreas de alta potência do circuito, você criará um caminho térmico vertical ou a capacidade de o calor fluir verticalmente através dos diversos planos de cobre, além do fluxo horizontal. Agora, esses caminhos térmicos verticais podem ser muito úteis em dispositivos de potência, como MOSFETs, reguladores de tensão e LEDs.
Em certas instâncias, projetistas posicionam um arranjo de vias térmicas diretamente sob os pads. Tecnicamente, isso não fornecerá os mesmos tipos de conexão de aterramento perimetral na placa. Ainda assim, proporciona um benefício semelhante de múltiplas vias conectadas para condutividade vertical.
Portanto, ao considerar pontos quentes em suas PCBs, não pense apenas em aplicar mais cobre, pense em conectar todas as trilhas e camadas de cobre verticalmente.
Costura Próxima a Trilhas de Alta Velocidade
A integridade de sinal e a EMI no roteamento de alta velocidade são inter-relacionadas. Quando uma trilha em um plano de referência é contínua (sem divisões), os campos da trilha permanecem majoritariamente confinados à área acima dela. Assim que o plano de referência é quebrado ou a trilha cruza uma divisão, os campos não serão mais contidos.
Como exemplo, ao rotear pares diferenciais ao longo de uma camada que muda de um plano de referência contínuo, se vias de costura forem posicionadas próximas à trilha diferencial para fornecer caminhos de retorno locais, a integridade do sinal é aprimorada. Alguns projetistas colocam cercas de vias ao lado das trilhas em aplicações de RF, além dos caminhos de retorno. Esta técnica de costura reduzirá a quantidade de crosstalk e melhorará o isolamento entre circuitos sensíveis.
Se a costura for feita em excesso, o custo geral e a complexidade de fabricação aumentarão. Trata-se de equilíbrio, semelhante a todos os aspectos do projeto de PCBs.
Considerações de Fabricação
No software de layout, é fácil criar vias de costura; no entanto, adicionar vias de costura aumenta o tempo necessário para perfurá-las e pode ter um impacto negativo no rendimento do produto.
Vias muito densas aumentarão os custos de fabricação. Se você adicionar microvias, os custos aumentarão ainda mais. Adicionalmente, o posicionamento de um número excessivo de vias próximas às bordas da placa pode comprometer a integridade estrutural da placa se não forem espaçadas corretamente.
Para evitar quaisquer problemas, é importante contatar o seu fabricante de PCBs precocemente e perguntar sobre o tamanho mínimo da perfuração, as limitações da relação de aspecto e os requisitos de anel anular.
As vias de "stitching" devem ser eletricamente funcionais e fabricáveis. Se você projetar um "stitching" que não pode ser produzido de forma consistente e confiável, não há valor em projetá-lo.
Quando Vias de Costura Não São Necessárias
Nem toda placa deve ser excessivamente projetada com costuras agressivas. A maioria das placas de circuito de duas camadas de baixa velocidade terá um bom desempenho sem um conjunto denso de vias de costura. Por exemplo, planos de terra e preenchimentos de cobre em placas de circuito impresso de duas camadas são frequentemente suficientes para alcançar um bom desempenho do circuito.
O superdimensionamento de uma placa de circuito impresso pode inflacionar os custos sem melhorar o desempenho; portanto, a maturidade de engenharia necessária para saber quando aplicar a técnica é tão importante quanto a maturidade de engenharia necessária para saber quando não aplicá-la.
Costura e Testes de EMC
A significância da costura via pontada como parte do teste EMC também é compreendida por inúmeros engenheiros.
Existem casos em que uma placa é testada com sucesso em um ambiente de laboratório, mas subsequentemente falha nos testes de emissões radiadas. Exemplos de soluções simples incluem fita de cobre, fios de aterramento adicionais ou redesenho com quantidade suficiente de costura.
Provavelmente, problemas de continuidade de terra são a razão principal para essas falhas. Placas que passam em EMC regularmente, recebem muita atenção aos detalhes no que diz respeito ao seu "ground stitching" e, tipicamente, incluem aterramento em ou perto de conectores e bordas das placas, assim como uma quantidade apropriada de aterramento nas áreas de alta velocidade.
É mais econômico projetar adequadamente a costura nas fases iniciais de desenvolvimento do que redesenhar o produto após sua falha.
Costura de Vias e Estabilidade Mecânica
Uma vantagem adicional que geralmente não é levada em consideração é o suporte mecânico fornecido por vias costuradas. Vias costuradas podem ajudar a fornecer integridade mecânica ao unir múltiplas camadas, o que reduz a possibilidade de grandes blocos de cobre em uma placa de circuito impresso delaminarem ou fletirem devido a ciclos térmicos.
Em ambientes automotivos e industriais propensos a vibrações, este suporte mecânico adicional ajuda a aumentar a longevidade e a confiabilidade de uma PCB.
Novamente, este não é o propósito principal dos vias passantes, mas é um benefício adicional.
Erros Comuns Cometidos por Engenheiros
O primeiro erro é, geralmente, inserir vias de costura aleatoriamente, após o roteamento estar concluído. Por não compreender para onde a corrente está fluindo, as vias de costura, por vezes, podem não ser de nenhuma ajuda.
Em segundo lugar, alguns engenheiros inserem vias de costura muito distantes de uma transição de sinal adjacente. Uma via de costura que estiver a 10 mm de distância da via de sinal será incapaz de retornar corrente de forma eficaz.
Um terceiro erro comum é esquecer de adicionar vias de costura aos planos de energia ocasionalmente. A referência de terra não é a única referência na placa.
Finalmente, alguns engenheiros sobreutilizam vias de costura, dificultando a roteirização e aumentando significativamente o custo da placa.
Considerações Finais
Por último, mas não menos importante, os vias de furo passante são componentes pequenos que desempenham papéis muito importantes em um circuito, afetando o desempenho de EMI, a integridade do sinal, fornecendo dissipação térmica e contribuindo para a resistência mecânica. Eles não são uma obra de arte, nem são visualmente atraentes em fotos usadas para fins publicitários. No entanto, eles são frequentemente associados a um designer de PCB experiente.
Engenheiros profissionais não incluem vias de "stitching" com base em um requisito escrito. Eles as incluem porque possuem conhecimento da direção da corrente e do padrão de condutância provenientes do campo. As vias de "stitching" refletem características mais profundas sobre o design da PCB e a atenção aos detalhes do designer.
Na PCBCool, oferecemos serviços profissionais de fabricação e montagem de placas de circuito impresso (PCBs), com a capacidade de processo necessária para projetos exigentes. Com equipamentos avançados de perfuração CNC e perfuração a laser, podemos fabricar PCBs com um diâmetro mínimo de furo de 0,08 mm, auxiliando os clientes a suportar estruturas de vias mais finas e requisitos de design mais rigorosos em aplicações de alta densidade.
Perguntas Frequentes (FAQ)
A: Nem sempre. Depende do fabricante, do projeto específico e dos requisitos do cliente. Para projetos com demandas de maior confiabilidade, como eletrônicos médicos e automotivos, a inspeção óptica automatizada (AOI) é tipicamente realizada em todas as placas.
Sim. Para projetos com requisitos especiais de qualidade, a PCBCool pode seguir prioridades de inspeção definidas pelo cliente, critérios de aceitação, faixas de tolerância ou requisitos específicos de controle de defeitos.
Abraash Vnest atua em projetos eletrônicos ligados à área de defesa, com foco no desenvolvimento de esquemas, diagnóstico de falhas em circuitos, testes e documentação técnica. Ele também desenvolve firmware em STM32 e implementa protocolos de comunicação industrial, como CAN.
