Al diseñar placas de circuito impreso, hay que tener en cuenta cómo cada capa de la placa va a afectar a las demás. Si se está diseñando una placa de doble cara, por ejemplo, es importante saber qué capas estarán encima o debajo unas de otras para poder realizar los ajustes necesarios en el diseño.
Esta guía le ayudará a comprender qué es el apilamiento de PCB, las reglas de diseño del apilamiento y qué tipo de efectos tienen las diferentes capas en el producto final.
¿Qué es el apilamiento de PCB?
El apilamiento de placas de circuito impreso es la disposición de capas de diferentes materiales en una placa de circuito impreso (PCB). Un apilamiento típico de placas de circuito impreso consistirá en una capa de cobre, una capa aislante, un plano de tierra y una capa de señal. El apilamiento de una PCB tiene un efecto en varias propiedades de una placa de circuito impreso, incluyendo el rendimiento térmico, el rendimiento de interferencia electromagnética (EMI), la respuesta a la tensión y la deformación, y la integridad de la señal.
Capas de cobre
Hay dos tipos de capas de cobre: internas y externas. Las capas internas se utilizan para conectar los componentes entre sí, mientras que las externas se utilizan para conectar dispositivos externos. El grosor de las capas de cobre también es importante. El grosor debe ser de 1 oz para las capas internas y de 2 oz para las capas externas. Un cobre más fino puede afectar al rendimiento del circuito y dificultar el enrutamiento. Un cobre más grueso es más resistente, pero también aumenta el coste de la placa. El grosor del cobre debe seleccionarse en función de los requisitos de diseño. Por ejemplo, el grosor del cobre debe ser al menos 0,01 mm más ancho que la anchura de la traza más grande.
Capas de señal
Las capas de señal se utilizan para transportar señales digitales de alta velocidad, como señales de datos y de reloj. Los dos tipos más comunes de capas de señal son las capas de un solo extremo y las diferenciales. Las capas de un solo extremo se utilizan para transportar una sola señal. No hay referencia a tierra, por lo que la señal es vulnerable al ruido. Las capas diferenciales se utilizan para transportar múltiples señales con una referencia de tierra. Este es el tipo de capa más común y es ideal para circuitos de RF y comunicaciones de alta velocidad. El grosor de las capas de señal debe ser de 0,5 oz o 1 oz. El grosor de la capa viene determinado por la anchura de las trazas. Las trazas deben ser al menos 0,004 mm más anchas que la anchura de la traza.
Capas aislantes
Las capas aislantes se utilizan para aislar las capas de cobre y evitar cortocircuitos eléctricos. Los dos tipos más comunes de capas aislantes son el epoxi FR-4 y el epoxi de vidrio. Epoxi FR-4: el epoxi FR-4 es un material de alta calidad que tiene excelentes propiedades para su uso en PCB, incluidas excelentes propiedades térmicas y mecánicas. Este es el material aislante más utilizado. Epoxi de vidrio: el epoxi de vidrio es un material aislante de muy alta calidad. Se utiliza habitualmente en placas de gama alta. El epoxi de vidrio es más caro que el epoxi FR-4, pero puede merecer la pena su coste en placas críticas. El grosor de las capas aislantes debe ser de 1,5 mm. El grosor de la capa viene determinado por la anchura de las pistas. Las pistas deben ser al menos 0,005 mm más anchas que la anchura de la pista.
Plano de tierra
El plano de tierra de un circuito digital lo protege de las interferencias electromagnéticas, al tiempo que funciona como vía de retorno para la corriente. El plano de tierra debe tener un grosor de 0,25 mm. La capa del plano de tierra debe ser 0,005 mm más ancha que el ancho de la traza. Es preferible una combinación de cobre y níquel a una capa de plano de tierra solo de cobre debido a su capacidad de blindaje, aunque es más costosa y menos conductora. Una sola capa de cobre es menos conductora y más susceptible a la corrosión, pero es más barata y fácil de obtener.
Apilamiento recomendado de PCB
Apilamiento de PCB de 4 capas
La pila de placas de circuito impreso de 4 capas recomendada a continuación se basa en la experiencia del sector y en una exhaustiva investigación. Esta pila es lo suficientemente genérica como para poder utilizarse con múltiples tipos de PCB.
Capa superior de cobre: espesor del cobre: 1 oz, material de la máscara de soldadura: FR-4, espesor del níquel: 1 oz o 2 oz;
Capa inferior de cobre: espesor del cobre: 1 oz, material de la máscara de soldadura: FR-4, espesor del níquel: 1 oz o 2 oz;
Capa aislante: poliimida de 1,5 mm, rigidez dieléctrica: 3000 V/mil;
Plano de tierra: cobre de 0,25 mm, rigidez dieléctrica: 3000 V/mil.
Apilamiento de PCB de 6 capas
Para diseños con alta densidad de chips y alta frecuencia de reloj, se debe considerar el diseño de placas de 6 capas. El método recomendado para el apilamiento de placas de circuito impreso de 6 capas se muestra en la siguiente figura:
Este método de apilamiento permite lograr una mejor integridad de la señal, la capa de señal es adyacente a la capa de tierra, la capa de alimentación y la capa de tierra están emparejadas, la impedancia de cada capa de traza se puede controlar bien y ambas capas de tierra absorben bien las líneas del campo magnético. Además, en el caso de una fuente de alimentación y una capa de tierra completas, puede proporcionar una mejor ruta de retorno para cada capa de señal.
Apilamiento de PCB de 8 capas
Las placas PCB de 8 capas se utilizan normalmente en sistemas de alta velocidad y alto rendimiento. Algunas de estas capas se utilizan para planos de alimentación o de tierra, que suelen ser planos sólidos sin divisiones. Este método utiliza un plano de referencia de tierra multicapa, que tiene una muy buena capacidad para minimizar la cantidad y los efectos de las interferencias electromagnéticas.
La estructura de 8 capas es la siguiente:
Capa superior – Señal 1: superficie del componente, capa de enrutamiento de microcinta, buena capa de enrutamiento;
Segunda capa: plano de tierra: mejor capacidad de absorción de ondas electromagnéticas.
Tercera capa: señal 2: capa de enrutamiento de línea de banda, buena capa de enrutamiento.
Cuarta capa: capa de alimentación: constituye una excelente absorción electromagnética con las capas subyacentes.
Quinta capa: plano de tierra.
Sexta capa – Señal 3: capa de enrutamiento de línea de banda, buena capa de enrutamiento;
7.ª capa: plano de tierra: mejor capacidad de absorción de ondas electromagnéticas.
8.ª capa: señal 4: capa de enrutamiento microstrip, buena capa de enrutamiento.
Reglas de diseño de apilamiento de PCB
El diseño del apilamiento de PCB está relacionado con los requisitos de la función del circuito, la integridad de la señal, la EMI, la EMC, el coste de fabricación, etc. Basándonos en esto, hemos resumido estas reglas de diseño para su referencia.
1. Uso de una estructura de capas pares.
Nuestra experiencia en el diseño de circuitos nos indica que el diseño de apilamiento casi siempre es una estructura de capas pares, no impares.
- Ahorro de costes
El coste de procesamiento de los PCB de capas impares es significativamente mayor que el de los PCB de capas pares. Esto se debe a que las placas de circuito impares necesitan añadir una capa de núcleo laminada sobre la base del proceso de estructura de la capa de núcleo.
- Evite doblar la placa de circuito.
Una tensión de laminación inusual puede provocar que la placa se doble. A medida que aumenta el grosor de la placa, también lo hace el riesgo de que se doble. Las placas de circuito con un número impar de capas son fáciles de doblar, mientras que las placas de circuito impreso con un número par de capas evitan que se doblen.
2. Determinación del enrutamiento y las vías
Las direcciones de cableado en la misma capa de señal deben ser coherentes y ortogonales con respecto a las de las capas de señal adyacentes. Por ejemplo, la dirección de cableado en una capa de señal podría establecerse en la dirección del «eje Y», y la dirección de cableado en una capa de señal adyacente podría establecerse en la dirección del «eje X».
3. Elección de la disposición de las capas
- Es importante establecer una posición adecuada de las capas cuando se utiliza la tecnología de microcintas.
- Dirija las señales de alta velocidad por microcintas de espesor mínimo y coloque las capas de señal junto a las capas de alimentación para lograr un acoplamiento fuerte.
- Las capas de alimentación y tierra deben estar lo más cerca posible entre sí.
- Es importante mantener separadas las capas de señal.
4. Seleccionar trazas de señal cortas
Las capas superior e inferior de una PCB multicapa suelen utilizarse para colocar componentes y un pequeño número de trazas de señal. Estas trazas de señal no deben ser demasiado largas para reducir la radiación directa que generan.
5. Condensadores de desacoplamiento
Al diseñar una PCB, es importante utilizar condensadores de desacoplamiento para garantizar un suministro de energía adecuado. Solo los planos superior e inferior deben servir como ubicaciones para los condensadores de desacoplamiento. La eficiencia de estos condensadores depende en gran medida de la calidad de las pistas, almohadillas y vías asociadas. Para garantizar un funcionamiento adecuado, los cables deben ser lo más cortos posible y las vías deben estar lo más cerca posible.
Opciones de materiales y espesor para el apilamiento de PCB
Como se ha mencionado anteriormente, sabemos que hay tres componentes principales que conforman una pila de PCB: cobre, aislamiento y plano de tierra. La elección del material y el grosor de cada capa afecta a las características de rendimiento del producto final.
Capas de cobre: hay muchos tipos diferentes de cobre disponibles. Cada tipo tiene una temperatura de fusión, conductividad eléctrica y tasa de expansión térmica diferentes. La elección del cobre suele estar determinada por los requisitos de diseño.
Tenga siempre en cuenta que cuanto más gruesas sean las capas de cobre, más robusto será el diseño general. Sin embargo, las capas de cobre más gruesas aumentarán el coste de la placa.
Capas aislantes: los materiales aislantes más comunes para PCB son epoxi FR-4, epoxi de vidrio y materiales recubiertos de parileno. La selección de cada tipo viene determinada por el entorno de aplicación.
La capa aislante debe ser lo más gruesa posible para proteger contra las interferencias electromagnéticas y aumentar la durabilidad de la placa. Sin embargo, si es demasiado gruesa, podría afectar a la calidad de las pistas y las vías.
Capas de plano de tierra: los tipos más comunes de planos de tierra son el cobre y el níquel. La selección de cada tipo viene determinada por los requisitos de diseño y el tipo de máscara de soldadura.
El grosor del plano de tierra debe estar entre 0,1 mm y 0,25 mm. Un plano de tierra más grueso funcionará mejor, pero también aumentará el tamaño de la placa.
Conclusión
En esta entrada del blog, ha aprendido qué significa el término «apilamiento de PCB» cuando se refiere a las placas de circuito impreso. También presentamos los diseños de apilamiento de PCB y por qué son importantes para su proyecto. Si tiene algún problema relacionado con el diseño electrónico, no dude en ponerse en contacto con nosotros.
