IPC 2141 Diseño de PCB con Control de Impedancia
En este articulo estaremos explicando acerca de la norma IPC 2141 Design guide for High Speed Controlled Impedance PCB, o Control de Impedancia de PCB de Alta Velocidad, complementaria al artículo anterior sobre la norma IPC 2251. Esta norma es importante cuando se tienen dudas en la fabricación, comunicación con el fabricante, materiales, procesos y la configuración del diseño para lograr la impedancia deseada en conexiones de velocidad análogos o digitales.
1. ¿Qué es la Norma IPC 2141 para Control de Impedancia?
Las consideraciones La norma IPC 2141 contiene los llineamientos para diseñadores de PCB, ingenieros de packaging (empaquetados), manufacturadores, compras, para poder entenderse, y establecer en sus diseños tanto análogos como digitales, la impedancia necesaria, que es considerada un requerimiento de diseño, dentro del rango de tolerancia especificado, para las conexiones de un circuito, para que este funcione. Ayuda a decidir cuándo se debe usar y los conceptos de diseño necesarios.
Esto implica para el diseñador entender conceptos de propagación de ondas electromagnéticas en el PCB, aspectos mecánicos, características electicas de los dispositivos como impedancia de salida, voltaje de conmutación, familias lógicas y transiciones.
Se dice alta velocidad cuando las propiedades de la conexión afectan el desempeño del circuito y requieren consideración. Es importante saber cuándo se está hablando de alta velocidad, esto es:
1) Cuando la tasa de cambio de la amplitud de una señal o el Edge Rate, impone alto rendimiento a la conexión (cuando se dice que es muy pequeño el Edge rate).
2) Cuando se habla de alta velocidad como la tasa de transmisión datos, es decir alta en Megas o Giba bits por segundo (Gb/seg), sin embargo, en sistemas en paralelo, se puede lograr, sin requerir mayor rendimiento.
3) La alta velocidad como referencia a la distancia recorrida por unidad de tiempo, de una señal que se propaga entre dispositivos, o en pocas palabras cuando tenemos distancias largas para una propagación limitada.
2. Contenido de la Norma ¿Cómo usarla?
- Generalidades.
- Documentos aplicables.
- Consideraciones de diseño.
- Diseño de circuitos de impedancia controlada.
- Diseño para manufactura.
- Descripción de datos.
- Materiales.
- Fabricación.
- Pruebas de TDR.
Descubrimos aquí los contenidos de la norma y como usarlos:
CAPITULOS 1, 2 Y 3: ALCANCE, NORMAS RELACIONADAS Y GENERALIDADES
En este capítulo se trata del alcance de la norma previamente explicado al inicio del artículo, también las normas IPC relacionadas:
- IPC-TM-650 Test Methods Manual 2.
- 2.5.5.7 11/92 Characteristic Impedance of Lines on Printed Boards by TDR.
- IPC-2220 Design Standard Series.
- IPC-2251 Design Guidelines for the Packaging of High.
- Speed Electronic Circuits.
- IPC-2252 Design and Manufacture Guide for RF/Microwave Circuit Boards.
- IPC-4101 Specification for Base Materials for Rigid and MultilayerPrinted Boards.
- IPC-4103 Specification for Base Materials for High Speed/High Frequency
Applications.
GENERALIDADES
El diseño de alta velocidad con control de impedancia, no solamente es hablar las consideraciones mecánicas, térmicas y de potencia del encapsulado o package, también es tener en cuenta las características eléctricas del dispositivo:
Selección de dispositivos: cada tecnología, sea TTL, CMOS, 
ECL, tiene sus requerimientos de potencia, impedancia de salida, entrada, niveles de voltaje, ruido, tiempos de respuesta, tiempos de subida y bajada, que requieren determinada densidad, ancho de pista, espaciamiento. Se pueden presentar degradación de señales, retardos, ruido entre conexiones, debido a desigualaciones de impedancia, lo cual implica la selección del empaquetado. En componentes pasivos el largo del pin puede tener efectos capacitivos e inductivos que afecta la propagacióon y los transitorios. Los empaquetados SMT, que cumplan los requerimientos de la conexión (baja inductancia y alta capacitancia) son preferidos sobre THTs o DIPS, mejor aún si son de tipo BGA o similar, o mejor conectados sobre el PCB).
Conectores: Incluso los conectores pueden debido a su geometría, 
presentar discontinuidades, con esto reflexiones, y problemas de integridad de señal. Los sistemas de conectores y cables de PCB a PCB, deben ser contemplados para aplicaciones de alta velocidad y bajo EMI, con su impedancia asociada típica de 50 ohms y alto ancho de banda. Esto significa que el pinuot tenga en cuenta el retorno o el plano de referencia más cercano, con el mínimo tamaño y geometría optimizada para evitar discontinuidades.
Diseño de PCB: Se debe tener en cuenta la ubicación, para evitar el crosstalk, los planos de distribución de potencia, la densidad de señales de alta velocidad, el retardo de propagación, y las pérdidas de señal, lo cual será mitigado con la impedancia controlada, ajustando el ancho de pista, separación del dieléctrico, espesor del conductor, el tipo de solder mask, propiedades del dieléctrico, Se debe considerar la permitividad del materia Er, sus propiedades y cambio en la frecuencia, así como la tangente de perdidas o la absorción del dieléctrico, lo cual desde el punto de vista de manufactura, debe permitir la flexibilidad en la selección de materiales y procesos, para reducir costos.
Desempeño: El diseñador debe tener en cuenta la propagación de ondas electromagnéticas, la señal más veloz requerirá mayor ancho de banda. Se debe considerar la red de distribución de potencia o PDN, de lo contrario puede resultar en calentamiento y EMI, tanto perdidas AC como DC. El diseño de la PDN debe proveer alimentación de baja impedancia e inductancia a los dispositivos veloces. Esto significa considerar los capacitores bulk y de desacople, asi como la interacción con los planos de VCC/GND.
Características de la interconexión: Dependiendo de las características de la señal, su velocidad, (Edge rate) y la longitud de la conexión, se puede asociar con un modelo distribuido o concentrado, esto es si se asocia a una línea de alta velocidad, en que la conexión exhibe comportamiento de línea de transmisión, o una conexión con modelo concentrado, de baja velocidad, donde se puede representar por elementos pasivos (resistencia, capacitor, inductor). Se debe prever la atenuación, retardo de propagación, efectos de conexión de una señal a varios pines, límite de largo eléctrico, distorsión de cruce, problemas en terminaciones, y efectos de integridad de señal (Skew, undershoot, overshoot, ringing, violación de umbral, colapso de VCC, gound bounce, ruido de conmutación, efectos parásitos), lo que causan afectación del margen de ruido.
CAPITULO 4 DISEÑO DE CIRCUITOS DE IMPEDANCIA CONTROLADA
Este capítulo describe los requerimientos 
que el diseñador debe balancear y entregar la mejor alternativa posible, incluyendo el costo, considerando el diseño de PCB de alta velocidad, las conexiones como líneas de transmisión, especificando su impedancia y terminación para evitar reflexiones. 
También se exponen las configuraciones de impedancia controlada, entre ellas las no balanceadas (microstrip, stripline), como las balanceadas (microstrip y stripline diferencial), así como los modos de propagación odd y even, con sus características de velocidad, impedancia, capacitancia e inductancia.
Algunas reglas de control de impedancia, son prestar atención a la impedancia de cables y componentes, que afectan la impedancia de la pista, los factores primarios como son ancho de pista, permitividad y separación con la referencia. Los factores secundarios son el espesor de cobre y solder mask. Alejarlos de otras líneas, por al menos 6 veces el ancho, con una referencia sólida, sin particiones, enrutando señales muy críticas con stripline, sin usar anchos de pista muy delgados, al límite de manufactura. Tener en cuenta el efecto de soldermak en microstrip, no usar referencias en crosshatched, con un plano de referencia solamente, y las señales perpendiculares entre diferentes planos. Para evitar el crosstalk.
Se indica también como usar estructuras para pruebas de impedancia, tanto en el diseño de PCB, como en los cupones de test, su ubicación, largos y geometrías recomendadas, pads de contacto, orientación y recomendaciones, para líneas balanceadas como desbalanceadas, enrutamiento, colocación de planos de referencia, terminado metálico, marcado.
Consideraciones para capacitores tanto de baja frecuencia, tipo bulk para la fuente de voltaje, como para la alimentación de los IC de alta frecuencia o desacople, entre ellos la colocación en paralelo para disminuir la impedancia, la cercanía y pista, para reducir inductancia, la colocación de vías alrededor de los condensadores y la ubicación en definitiva para reducir inductancia.
Algunas consideraciones para reducir el EMI son obtenidas de 
las agencias regulatorias, entre ellos la FCC Clase A/B, la norma EN 55022 Clase A/B, VCCI Clase 1/2, y estándares MIL-STD-461D. Esto considera reducir la inductancia de pines, retornos, discontinuidades del retorno, reducir sobrepicos para reducir la EMI, encapsulados o enclosures para componentes emisivos y técnicas de enrutamiento de cables. Las prácticas de diseño pueden incluir la ubicación de los componentes, la terminación y enrutamiento de la señal, el enrutamiento de la línea de señal, protección ante crosstalk, el desacople y blindaje de GND. 
Se deben tener uno o dos planos de referencia, para las señales, con su referencia propia. Señales de sensibles, o de reloj, deben ser preferiblemente enrutadas entre planos (stripline), para evitar acoples, así como evitar stubs, y enrutamiento lejos de señales sensibles (PLL, RF, CLK), que deben tener filtros PI en la fuente, para evitar ruido. El uso plano y zonas GND para blindaje, encapsulados, siempre y cuando tengan baja inductancia, pero muchas veces es preferible la separación, que el colocar zonas de cobre y vías de stitching.
CAPITULOS 5, 6, 7 y 8: DISEÑO PARA MANUFACTURA, TIPOS DE DATOS, MATERIALES, Y FABRICACIÓN
El diseñador puede configurar las reglas del software para enrutar a un ancho y longitud especifica, separación vertical y horizontal, así como ortogonalidad. Los elementos que el diseñador especifica a fuerzas a un fabricante de PCB de impedancia controlada, que más afectan su costo son: una tolerancia de impedancia menos a 10%, especificar a fuerzas el espesor de dieléctrico, especificar la capacitancia o impedancia diferente en la misma capa, no permitir que el fabricante haga ajustes en anchos, espesor del dieléctrico o laminado.
El fabricante para mejorar el diseño, puede proveer al diseñador como mínimo de información de: Espesor dieléctrico, espesor de cobre acabado, tipo de material, permitividad relativa, tipo y espesor de máscara de soldadura, ancho y espaciado de los conductores recomendado, stackup recomendado y espesor nominal. El fabricante también puede medir o entregar una prueba de los parámetros de rendimiento como la impedancia controlada en ohmios, el retraso de propagación en picosegundos, el espesor total, la medición del Er a la frecuencia especificada, con un costo adicional.
Los diseñadores deben estar familiarizados con la fabricación y los materiales disponibles, como resina, refuerzos, adhesivos, sus características eléctricas, físicas, mecánicas, térmicas, de mecanizado y su dependencia de la frecuencia, así como sus propiedades, capacidades, tolerancias, tener conocimiento de las capacidades y tolerancias del proceso que impactan el rendimiento del fabricante. El desarrollo de una estrecha relación de trabajo con el grupo de diseño de ingeniería y el fabricante de PCB son beneficiosos para ambas partes, para evitar iteraciones de prototipos que son costosas y requieren mucho tiempo, así como para predecir la probabilidad de que un diseño dado funcione dentro de las especificaciones deseadas.
CAPITULO 9 PRUEBAS DE TDR (TIME DOMAIN REFLECTOMETRY)
La reflectometría en el dominio del tiempo (TDR) es un método para medir el cambio en la impedancia eléctrica a lo largo de una pista o señal. En el TDR ve un cambio de impedancia, como un reflejo en un pulso que fue generado por la unidad TDR y entregado la línea de señal. La forma de onda del TDR es la suma del pulso incidente y el reflejado, con un retraso de este último. El análisis espectral puede contener las perdidas en magnitud y fase. También el equipo y los cables de medición pueden tener daños que afectan la medida, por tanto, deben ser inspeccionados.
Se explican las matemáticas del TDR como el coeficiente de reflexión, también otros usos son la medición de impedancia de entrada de terminaciones y cargas o el perfil de impedancia de una señal ensamblada o no en el PCB, la constante de permitividad, o cambios entre TDR para calidad. Usar un TDR es mejor método que usar un VNA (Vector Network analizer) para mediciones en el dominio del tiempo. El VNA se usa para métodos dependiendo de la frecuencia, como la permitividad compleja efectiva de una línea de transmisión.
Se explica las partes de un TDR y los requerimientos para lograr una medición como un generador de impulsos y muestreador. Las consideraciones principales para la unidad TDR son la duración, el ancho de banda de la transición de la respuesta escalonada, la amplitud del pulso, las aberraciones, asentamiento del pulso y del muestreador, el ruido de amplitud y errores de base de tiempo, con sus correspondientes ecuaciones e interpretaciones. Otros cuidados a tener son el corrimiento del offset y el jitter.
Se deben usar cable de alta calidad, con baja perdida de inserción y propagación, conectores, puntas de prueba, fixtures de test. Se recomiendan procedimientos
documentados, estandarización, cuidados ESD, (Electrostática),
calibración, referencias, entrenamiento del operador, muestras para pruebas, cupones y un formato de informe de pruebas.
ANEXOS: Adedum a las ecuaciones de
líneas balanceadas y desbalanceadas.
3. CONCLUSIONES
La norma IPC 2141 nos ayuda a diseñar para el control de impedancia (Impedance control) en líneas de alta velocidad, para evitar problemas de integridad de señal (Signal Integrity-SI) y estar dentro del margen de ruido. Para ello se debe tener en cuenta los cables, conectores, componentes electrónicos, sus características eléctricas, mecánicas, térmicas, los efectos parásitos y de package que pueden tener, lo que puede afectar una línea de transmisión con impedancia controlada, minimizando las reflexiones, crosstalk, el ruido de conmutación switching noise. Junto con la IPC 2251, nos ayuda a clarificar conceptos, modelar el sistema y diseñar para un bajo EMI en los PCB, además comunicarnos mejor con fabricantes, ensambladores, y también poder solicitar o realizar pruebas usando cupones, circuitos de prueba y un TDR (time domain reflectometer) para comprobar la calidad de la fabricación dentro de las tolerancias de impedancia especificadas.
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Puedes leer
- Criterios de aceptación o rechazo IPC.
- Aceptación de Ensamble SMT o SMD.
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Bibliografía:
IPC-2251. Design guide for the packaging of high speed electronic circuits. Northbrook, IL, USA. Association Connecting Electronics Industries ipc.org. 2003.
IPC-2141A Design guide for high-speed controlled impedance circuit boards. Northbrook, IL.USA. Association Connecting Electronics Industries ipc.org. 2003
IPC CID+ Advanced PCB Study Guide. 2016. Northbrook, IL, USA. Association Connecting Electronics Industries ipc.org. 2003.
BGA vs. QFN. 2024. https://www.fs-pcba.com/bga-vs-qfn/
www.iteq.stackup.design/app/new
www.ecadstar.com/en/blog/high-speed-design-signal-integrity/
www.pcbway.com/pcb_prototype/Metal_core_PCBs.html
www.polarinstruments.com/products/cits/cits880s.html
