Avances en el diseño de PCB multicapa para aplicaciones de alta frecuencia

Cada vez existe una mayor necesidad de dispositivos de alto rendimiento con funcionalidad ampliada en el cambiante campo de la electrónica. La necesidad de tecnología de placas de circuito impreso (PCB) ha dado lugar a notables progresos, en particular en el ámbito de las aplicaciones de alta frecuencia. La utilización del diseño de PCB multicapa se ha convertido en una solución crucial al objeto de satisfacer las rigurosas exigencias de estas aplicaciones.

Este artículo explora las ventajas, los desafíos y la viabilidad de los PCB multicapa diseñados específicamente para aplicaciones de alta frecuencia.

La llegada de los PCB multicapa

Las placas de circuito impreso se caracterizaban históricamente ante todo por su estructura de una o dos capas, lo que imponía limitaciones a su idoneidad para aplicaciones de alta frecuencia debido al deterioro de la señal y a la interferencia electromagnética (EMI, por sus siglas en inglés). No obstante, la introducción de las placas de circuito impreso multicapa ha dado lugar a notables avances en la integridad de la señal, la mitigación de la interferencia electromagnética (EMI) y el rendimiento general.

Los PCB multicapa (figura 1) constan de numerosas capas conductoras separadas por sustratos aislantes. Este diseño permite la transmisión sofisticada de señales y planos de potencia.

Figura 1: Estructura interna de un PCB multicapa

Las placas de circuito impreso (PCB) multicapa se distinguen de sus homólogas de una o dos capas por la presencia de tres o más capas conductoras que están separadas por material aislante, que habitualmente se conocen como capas dieléctricas. La interconexión de estas capas se ve facilitada mediante vías, que son minúsculos pasajes conductores que facilitan la comunicación entre las distintas capas. El complicado diseño de los PCB multicapa permite una mayor concentración de componentes y circuitos intrincados, por lo que resultan esenciales para la tecnología de última generación.

Los PCB multicapa suelen presentar un elevado grado de rigidez debido al desafío inherente que supone lograr múltiples capas en una estructura de PCB flexible. Las conexiones eléctricas entre capas se establecen por medio de la utilización de varios tipos de vías (figura 2), incluidas las vías ciegas y las enterradas.

La configuración implica la colocación de dos capas en la superficie para establecer una conexión entre la placa de circuito impreso (PCB) y el entorno externo. En general, la densidad de capas en las placas de circuito impreso (PCB) es uniforme. Esto se debe principalmente a la susceptibilidad de los números impares a problemas como la deformación.
El número de capas habitualmente varía dependiendo de la aplicación específica, y suele oscilar en el intervalo de cuatro a doce capas.

Normalmente, la mayoría de las aplicaciones precisan un mínimo de cuatro y un máximo de ocho capas. Por el contrario, aplicaciones como los smartphones emplean predominantemente un total de doce capas.

Figura 2: Las vías se usan para interconectar capas (fuente: Altium)

Aplicaciones principales

Los PCB multicapa se utilizan en una amplia gama de aplicaciones electrónicas (figura 3), entre las que se incluyen:

• Electrónica de consumo, donde los PCB multicapa juegan un papel fundamental al proporcionar la potencia y las señales necesarias para una amplia gama de productos como smartphones, tabletas, consolas de juegos y dispositivos llevables. La electrónica elegante y portátil de la que dependemos diariamente se atribuye a su diseño compacto y a su alta densidad de componentes.
• En el campo de las telecomunicaciones, el uso de PCB multicapa facilita la transmisión fluida de señales de voz, datos y vídeo a través de redes, garantizando así una comunicación fiable y efectiva.
• Los sistemas de control industrial dependen en gran medida de placas de circuito impreso (PCB) multicapa debido a su capacidad para gestionar de manera efectiva sistemas de control complejos, mecanismos de supervisión y procedimientos de automatización. Los paneles de control de máquinas, la robótica y la automatización industrial confían en ellos como sistema de soporte fundamental.
• Los PCB multicapa también son relevantes para los productos sanitarios, ya que son cruciales para garantizar la precisión, la fiabilidad y la compacidad. Los equipos de diagnóstico, los sistemas de monitorización de pacientes y los productos sanitarios que salvan vidas están influenciados significativamente por su importante rol.

Figura 3: Un PCB complejo requiere un diseño multicapa (fuente: Altium)

Beneficios y ventajas

Los PCB multicapa brindan varios beneficios y ventajas en aplicaciones de alta frecuencia, entre los que se incluyen:

• Integridad potenciada de la señal: Los PCB multicapa facilitan el enrutamiento de impedancia controlada, minimizando la distorsión de la señal y garantizando así una transmisión fiable de las señales de alta frecuencia. La menor interferencia de señal de las placas de circuito impreso multicapa da como resultado un mejor rendimiento, velocidad y fiabilidad.
• EMI reducida: Al utilizar planos de tierra y alimentación dedicados, los PCB multicapa suprimen efectivamente la EMI, mejorando de este modo la fiabilidad del sistema y minimizando la interferencia con los circuitos adyacentes.
• Diseño compacto: Con la capacidad de alojar más componentes y esquemas de enrutamiento complejos, los PCB multicapa permiten unos diseños compactos, que son cruciales para aplicaciones con limitaciones de espacio, como dispositivos móviles y sistemas aeroespaciales.
• Gestión térmica mejorada: Los PCB multicapa ofrecen una disipación térmica eficiente mediante la integración de vías térmicas y capas de cobre ubicadas estratégicamente, lo que potencia la fiabilidad y la vida útil de los componentes de alta potencia.
• Flexibilidad de diseño: La versatilidad de los PCB multicapa permite una mayor flexibilidad de diseño, lo que posibilita que los ingenieros optimicen parámetros de rendimiento como la adaptación de impedancia, el retardo de propagación de la señal y la distribución de energía.

Desventajas

Uno de los principales inconvenientes asociados a las placas de circuito impreso multicapa es su mayor coste en comparación con los PCB de una o dos capas en todas las fases del proceso de fabricación. El mayor coste está asociado principalmente al equipo especializado necesario para su producción.

La fabricación también es más compleja, ya que la producción de PCB multicapa requiere un período de diseño significativamente superior y unos métodos de fabricación meticulosos si los comparamos con otros tipos de PCB. Complejidad de fabricación: La fabricación de PCB multicapa exige unos sofisticados procesos de fabricación, que incluyen la alineación precisa de las capas, el enrutamiento controlado de la impedancia y estrictas medidas de control de calidad, lo que genera mayores costes de producción y unos plazos de entrega más prolongados.

Los PCB multicapa requieren un diseño previo exhaustivo y, por lo tanto, es necesaria la presencia de ingenieros competentes para su desarrollo. La producción de cada placa requiere una cantidad sustancial de tiempo, lo que incrementa los gastos de mano de obra. Además, puede dar lugar a intervalos de tiempo prolongados entre la realización de un pedido y la recepción del producto, lo que en determinadas situaciones puede representar un desafío.

No obstante, estas inquietudes no merman la eficacia de las placas de circuito impreso (PCB) multicapa. Aunque los PCB multicapa suelen ser más caros que los PCB monocapa, ofrecen numerosas ventajas en comparación con esta forma particular de placa de circuito impreso.

A medida que los dispositivos electrónicos continúan reduciéndose de tamaño y aumentando su densidad de potencia, la gestión térmica efectiva se convierte en un factor crítico en los PCB multicapa, lo que requiere soluciones innovadoras para mitigar los puntos calientes térmicos y garantizar un rendimiento óptimo. Además, la validación del rendimiento de los diseños de PCB multicapa requiere metodologías de prueba integrales, que incluyen simulación, creación de prototipos y pruebas de conformidad, a fin de garantizar el cumplimiento de las normas y especificaciones del sector.

Consejos para el diseño de PCB multicapa

A la hora de crear una placa de circuito impreso (PCB) multicapa para aplicaciones de alta frecuencia, suelen ser interesantes varias sugerencias útiles.

Para mitigar los problemas en el diseño de PCB multicapa, el área principal de énfasis generalmente gira en torno al apilamiento. Al emitir juicios sobre el apilamiento de capas, es importante tener en cuenta factores como la funcionalidad, la fabricación y el despliegue.

Hay que empezar optimizando las dimensiones de la placa, ya que ello influirá en las decisiones relativas a otras características. Al determinar el tamaño ideal de la placa, tenga en cuenta los siguientes factores:

• El número de componentes que se alojarán en la placa.
• El tamaño de estos componentes.
• Dónde se instalará la placa
• Las tolerancias del socio de fabricación en cuanto a espaciado, holguras y orificios de taladrado.

Una vez decidido el número de capas, se procederá a la selección de las vías, ya sean ciegas, pasantes, enterradas o en pad. Este aspecto afecta a la complejidad de la fabricación y, por tanto, a la calidad del PCB.

En la sección de diseño de PCB multicapa, el software de diseño de PCB conforma una parte esencial del proceso de diseño. Ayuda a los diseñadores a generar la estructura de la conexión mecánica y de cableado del PCB a partir de la lista de conexiones de red, y a colocar esta estructura de conexión en multicapas y a generar archivos de diseño asistidos por ordenador. Este CAD es esencial en la fabricación de PCB. Existen varias opciones de software de diseño de PCB que puede utilizar para diseñar su PCB multicapa. Sin embargo, unos pocos se utilizan más que otros, especialmente por su interfaz más sencilla, entre otras razones.

También se considerará el DFM, cuyo objetivo es crear piezas y componentes de productos que faciliten la fabricación. El objetivo es conseguir productos de alta calidad con gastos reducidos. En consecuencia, implica agilizar, potenciar y perfeccionar el diseño del producto. El DFM debe realizarse de manera oportuna antes de comenzar a trabajar con las herramientas. Es imprescindible implicar a todas las partes interesadas en el DFM. La participación de varias partes interesadas, incluidos diseñadores, ingenieros, fabricantes subcontratados, proveedores de materiales y fabricantes de moldes, es crucial. De este modo, se pueden mitigar los posibles problemas de diseño.

Fabricabilidad

La fabricación de PCB multicapa para aplicaciones de alta frecuencia implica varios pasos clave:

• Diseño y disposición: Los ingenieros utilizan software especializado de diseño de PCB para crear la disposición, teniendo en cuenta factores como la integridad de la señal, la gestión térmica y la mitigación de EMI.
• Selección de materiales: Se eligen materiales de alta calidad con baja constante dieléctrica y tangente de pérdida para minimizar la pérdida de señal y mantener el rendimiento de alta frecuencia.
• Planificación del apilamiento de capas: El apilamiento de capas se planifica cuidadosamente para optimizar el enrutamiento de la señal, la adaptación de impedancias y la disipación térmica, teniendo en consideración factores del tipo de la frecuencia de la señal, el grosor de la placa y el grosor del cobre.
• Fabricación y montaje: En la fabricación de PCB multicapa con precisión y fiabilidad se emplean técnicas de fabricación avanzadas, como la perforación láser, la laminación secuencial y el grabado de impedancia controlada.
• Pruebas y garantía de calidad: Se llevan a cabo rigurosos procedimientos de prueba, que incluyen análisis de integridad de la señal, mediciones de impedancia, imágenes térmicas y pruebas de EMI, a fin de garantizar el rendimiento, la fiabilidad y el cumplimiento de las normas y especificaciones del sector por parte de los PCB multicapa.

Conclusión

La evolución del diseño de PCB multicapa ha revolucionado el campo de la electrónica de alta frecuencia, permitiendo el desarrollo de dispositivos sofisticados con mayor rendimiento, fiabilidad y funcionalidad. Pese a los desafíos en materia de integridad de la señal, complejidad de fabricación y gestión térmica, los beneficios de los PCB multicapa superan con creces los desafíos, lo que los hace indispensables en una amplia gama de aplicaciones de alta frecuencia, como las telecomunicaciones, la electrónica aeroespacial, automotriz y médica. Gracias a los continuos avances en materiales, técnicas de fabricación y metodologías de diseño, los PCB multicapa están preparados para seguir impulsando la innovación en la electrónica de alta frecuencia en los próximos años.

19.06.2024