El rol del diseño de las vías en el rendimiento de los PCB: Tipos, usos y mejores prácticas

A medida que los dispositivos electrónicos ganan en rapidez, reducen su tamaño e incrementan su complejidad, el intrincado diseño de PCB se vuelve aún más crítico, y entre sus muchas funciones vitales, las vías destacan como algunos de los componentes más pequeños, pero más esenciales.

A simple vista, las vías pueden parecer pequeños orificios dispersos por las superficies verdes o azules de un PCB. De todos modos, su rol no es menor. Estas pequeñas vías conductoras conectan las distintas capas de un PCB, permitiendo que las señales y la energía fluyan sin interrupciones a través de la estructura multicapa. Sin las vías, los sofisticados circuitos de los que dependemos cada día sencillamente no serían posibles.

Las vías garantizan la integridad de la señal, mantienen la conectividad eléctrica y gestionan el rendimiento térmico. Su diseño, ubicación y tipo pueden determinar el rendimiento de un PCB e influir directamente en la fiabilidad y eficacia de todo el sistema.

La comprensión de los distintos tipos de vías, junto con sus aplicaciones y las mejores prácticas de diseño, es crucial para cualquiera que se dedique al diseño de PCB o a la ingeniería eléctrica. Ya se trate de vías pasantes, ciegas o enterradas, cada una satisface un propósito específico e incorpora sus propias consideraciones de diseño. Optimizar la implementación de las vías no consiste únicamente en la conexión de capas; se trata de permitir el máximo rendimiento del PCB, así como del dispositivo que alimenta.

En este artículo, profundizaremos en el mundo de las vías de PCB, arrojando luz sobre el rol fundamental que desempeñan en la electrónica moderna y ofreciendo perspectivas sobre cómo un diseño bien planificado de las vías puede mejorar significativamente el rendimiento general del sistema.

¿Qué es una vía?

En esencia, una vía es un camino conductor que posibilita el paso de las señales eléctricas o la energía entre las capas de una placa de un PCB multicapa. Estas vías se forman mediante la perforación de pequeños orificios en la placa, que posteriormente se recubren con material conductor, generalmente cobre. Sin vías, un PCB quedaría confinado a una sola capa de circuitos, lo que limitaría enormemente su funcionalidad y densidad.

Pero las vías son algo más que meros túneles verticales: forman parte integrante del enrutamiento de señales. En diseños de alta velocidad o alta frecuencia, sus propiedades eléctricas (como la inductancia, la capacitancia y la impedancia) deben ponderarse cuidadosamente al objeto de evitar la degradación del rendimiento.

Usos de las vías en el diseño de PCB

Las vías juegan un papel primordial a la hora de determinar el rendimiento y la funcionalidad del PCB. Entre sus principales usos se incluyen:

• Transmisión de señales: Las vías permiten que las señales eléctricas atraviesen las múltiples capas del PCB, conectando circuitos y componentes ubicados en diferentes planos. Esto es crítico en aplicaciones de alta velocidad, donde debe preservarse la integridad de la señal.

• Distribución de energía: Las vías contribuyen a la distribución de las conexiones de alimentación y tierra a través de las capas, lo que garantiza que los componentes reciban una alimentación estable sin interferencias.

• Gestión térmica: La disipación del calor es vital para evitar fallos en los componentes. Las vías rellenas de materiales conductores, como el cobre, ayudan a alejar el calor de las zonas críticas.
• Optimización de espacio: Al habilitar las conexiones entre capas, las vías permiten diseños más compactos, acomodando mayores densidades de componentes en espacios de PCB más reducidos.

Tipos de vías y sus aplicaciones

Existen varios tipos de vías, cada una adaptada a configuraciones de PCB y requisitos de rendimiento específicos (Figura 1). La más común es la vía pasante, que va de la capa superior a la inferior y conecta cada una de las capas intermedias. Si bien son sencillas y rentables, las vías pasantes pueden ocupar un valioso espacio en la placa e introducir parásitos no deseados en diseños de alta velocidad.

Para solucionar estos problemas, los diseñadores a menudo recurren a vías ciegas y enterradas. Las vías ciegas conectan una capa exterior a una o más capas interiores sin atravesar toda la placa. Las vías enterradas están completamente encerradas en las capas interiores, invisibles desde la superficie de la placa. Estos tipos de vías permiten una mayor densidad de capas y un mejor control sobre la integridad de la señal, si bien a un coste de fabricación superior.

Después están las microvías, que son la piedra angular de los diseños de interconexión de alta densidad (HDI). Se perforan con láser y por lo general tienen un diámetro inferior a 150 micras. Debido a su pequeño tamaño y capacidad de apilarse o escalonarse, las microvías posibilitan un enrutamiento más ajustado y componentes con un paso más fino, que son esenciales en los teléfonos inteligentes, dispositivos portátiles y dispositivos IoT compactos de hoy en día.

Otro tipo menos glamuroso, pero de gran importancia, es la vía térmica. A menudo se utilizan para alejar el calor de los componentes de alta potencia, transfiriéndolo a una zona de cobre más amplia o incluso a un disipador térmico situado en otra capa. La gestión térmica es un aspecto del diseño de vías que con frecuencia se subestima, pero que resulta crítico en la electrónica de potencia y las placas LED.

Figura 1: Sección transversal de un PCB multicapa que muestra vías pasantes, ciegas y enterradas (fuente: GlobalWell PCBA)

Impacto en la integridad y el rendimiento de la señal

El diseño de las vías juega un papel primordial en el mantenimiento de la integridad de la señal, especialmente en aplicaciones de alta velocidad donde cada aspecto de la ruta de la señal se convierte en crítico. La presencia de vías puede introducir discontinuidades en la ruta de la señal, lo que genera reflexiones y desajustes de impedancia que pueden degradar la calidad de la señal. Para mitigar estos efectos, los diseñadores acostumbran a emplear técnicas como la perforación posterior (back-drilling) para eliminar los stubs de vía no utilizados, que de otro modo pueden actuar como estructuras resonantes y comprometer la integridad de la señal.

La gestión térmica (Figura 2) representa otro aspecto crucial en el que el diseño de las vías ejerce un impacto significativo. Las vías térmicas, diseñadas específicamente y ubicadas cerca de componentes de alta potencia, crean vías eficientes para la disipación del calor. La colocación estratégica de estas vías ayuda a prevenir la formación de puntos calientes y garantiza una distribución más uniforme de la temperatura en toda la placa, lo que en última instancia potencia la fiabilidad y longevidad del sistema electrónico.

Figura 2: Detalle de un PCB que muestra las vías térmicas (Fuente: FS PCBA)

Mejores prácticas para el diseño de vías

Un diseño de vía eficaz es esencial para alcanzar un rendimiento elevado, fiabilidad y rentabilidad en los PCB. A continuación, se presentan algunas prácticas recomendadas.

Minimización del número de vías

Si bien las vías son esenciales para las transiciones entre capas, cada una de ellas introduce inductancia y capacitancia parásitas. Estos elementos parásitos pueden afectar negativamente a la integridad de la señal, especialmente en frecuencias más altas.

• Inductancia: Una vía actúa como un tramo corto de cable, que posee inductancia inherentemente. Esta inductancia puede provocar discontinuidades de impedancia, dando lugar a reflexiones de señal. La inductancia de una vía es aproximadamente proporcional a su longitud. Por lo tanto, al minimizar el número de cambios de capa que sufre una señal se reduce directamente el impacto inductivo global.

• Capacitancia: El barril de las vías y los planos circundantes forman un condensador de placas paralelas. Esta capacitancia puede causar retrasos en la señal y afectar a la impedancia. La capacitancia está influenciada por el diámetro de la vía, la distancia a los planos circundantes y la constante dieléctrica del material del PCB.

Técnicas de minimización del número de vías:

• Asignación estratégica de capas: La planificación del apilamiento de capas y la asignación concienzuda de señales a las capas puede reducir la necesidad de transiciones excesivas entre capas. La agrupación de señales relacionadas en capas adyacentes puede minimizar la cantidad de vías necesarias para conectarlas.
• Estrategias de enrutamiento optimizadas: El empleo de técnicas de enrutamiento eficientes, como la priorización del enrutamiento horizontal en cada capa antes de pasar a otra, puede contribuir a minimizar las conexiones verticales innecesarias.
• Colocación de los componentes: La colocación inteligente de componentes también puede desempeñar un papel importante. La colocación de componentes que necesitan estar interconectados próximos unos a otros en la misma capa puede reducir la necesidad de que las señales viajen por las múltiples capas a través de vías.

Optimización de la colocación de vías

La colocación de las vías es tan crítica como su cantidad (Figura 3). Unas vías mal ubicadas pueden introducir longitudes de trazas superiores, crear desajustes de impedancia y exacerbar los problemas de integridad de la señal.

• Acortar la longitud de las vías: La colocación de las vías más próximas a los pines de los componentes que necesitan conectarse minimiza la longitud de las trazas en cada capa. Las trazas más cortas generalmente presentan una mejor integridad de la señal debido a la reducción de pérdidas y reflexiones.
• Evitación de curvas cerradas: Cuando una traza pasa a través de una vía, hay que evitar las curvas cerradas de 90 grados inmediatamente antes o después de las vías. Estas curvas pronunciadas pueden provocar discontinuidades de impedancia. Utilice, en cambio, curvas graduales o ingletes para garantizar una ruta de señal más suave.
• Mantenimiento de la continuidad de la señal: Al enrutar pares diferenciales u otras señales críticas, asegúrese de que las vías utilizadas para ambas señales estén colocadas simétricamente y lo más cerca posible unas de otras. Esto ayuda a mantener el equilibrio de la señal y minimiza las desviaciones.
• Vías de tierra y alimentación: Para las conexiones de tierra y alimentación, la ubicación estratégica de múltiples vías puede ayudar a reducir la inductancia y mejorar la capacidad de transporte de corriente, lo que contribuye a una red de suministro de potencia más estable. La distribución uniforme de las vías de tierra también puede mejorar las rutas de retorno de señal.

Figura 3: Detalle de un PCB con diseño denso del sustrato BGA mediante microvías (fuente: Altium Resources)

Uso del tamaño de vía adecuado

Las dimensiones de una vía (diámetro de perforación y diámetro de la almohadilla) deben considerarse cuidadosamente en función de la aplicación.

• Diámetro de perforación: Los diámetros de perforación más pequeños conducen generalmente a una menor capacitancia parásita y a una huella más pequeña en las capas de PCB, lo que permite una mayor densidad de enrutamiento. Sin embargo, las vías más pequeñas pueden tener limitaciones en términos de capacidad de transporte de corriente y fabricabilidad (relación de aspecto: la relación entre el espesor de la placa y el diámetro de la perforación).
• Diámetro de la almohadilla: La almohadilla proporciona la conexión entre el barril de la vía y la traza de cobre en cada capa. El tamaño de la almohadilla debe ser lo suficientemente grande para garantizar una conexión fiable durante la soldadura y para adaptarse a posibles desalineaciones durante la fabricación. Sin embargo, las almohadillas más grandes pueden aumentar la capacitancia parásita y limitar el espacio de enrutamiento.
• Capacidad de transporte de corriente: En cuanto a las vías de potencia, el diámetro del barril de la vía es crucial para gestionar la corriente necesaria sin una caída de tensión o un calentamiento excesivos. Las vías de mayor diámetro ofrecen menor resistencia.
• Frecuencia de la señal: A frecuencias más altas, suelen preferirse vías más pequeñas para minimizar las reflexiones de señal y las discontinuidades de impedancia.

Consideración de los efectos de los stubs de vías

Las vías pasantes que conectan más capas de las necesarias crean stubs, es decir, porciones no utilizadas del cilindro de la vía. Estos stubs pueden actuar como estructuras resonantes, provocando reflexiones de señal y causando problemas de integridad de la señal, particularmente en frecuencias más altas donde la longitud del stub se convierte en una fracción significativa de la longitud de onda de señal.

Técnicas de mitigación de los efectos de los stubs de vías:

• Perforación posterior (back-drilling) (perforación de profundidad controlada): Este proceso implica perforar la parte no utilizada del barril de la vía en la parte posterior del PCB tras el chapado inicial. La perforación posterior elimina de manera efectiva o reduce significativamente la longitud del stub. No obstante, añade un paso de fabricación y un coste adicional.
• Vías ciegas y enterradas: Por su propia naturaleza, las vías ciegas y enterradas no se extienden a través de todas las capas, con lo que se elimina la creación de stubs para las señales conectadas. Esto representa una ventaja significativa en diseños de alta velocidad.
• Optimización de la colocación de vías: En ocasiones, una cuidadosa asignación de capas y colocación de vías puede minimizar la longitud de los stubs, incluso con vías pasantes. Por ejemplo, si una señal pasa de la capa 1 a la 3 en una placa de 4 capas, puede resultar útil la colocación de la vía de modo que el stub de la capa 4 sea corto.

Garantía de una adaptación de impedancia adecuada

Las vías introducen discontinuidades de impedancia en la ruta de la señal debido a sus características inductivas y capacitivas. Estas discontinuidades pueden provocar reflexiones de la señal, que degradan su integridad.

Técnicas para mejorar la adaptación de impedancia alrededor de las vías:

• Separación del plano de tierra: La distancia entre la almohadilla de la vía y el plano de tierra circundante afecta a la capacitancia e impedancia de la vía. La optimización de este espacio puede ayudar a igualar la impedancia de la vía con la impedancia de la traza.
• Adición de vías de tierra: La colocación de vías de tierra próximas a las vías de señal puede ayudar a proporcionar una mejor ruta de retorno para señales de alta frecuencia y reducir las discontinuidades de impedancia. Estas vías de tierra crean efectivamente un entorno electromagnético más controlado alrededor de la vía de señal.
• Cosido de vías: En el caso de señales críticas, especialmente a altas frecuencias, el uso de múltiples vías poco distanciadas (cosido de vías) puede contribuir a la creación de un entorno de impedancia más uniforme y a la mejora de la integridad de la señal.

Consideraciones de fabricación y normas industriales

El proceso de fabricación de vías para PCB requiere una cuidadosa atención a las normas y mejores prácticas del sector. El Instituto de Circuitos Impresos (IPC) proporciona directrices exhaustivas a través de normas como la IPC-2221 y la IPC-6012, que especifican los requisitos de diseño y rendimiento de las vías. Estas normas garantizan la coherencia y fiabilidad en la producción de PCB, a la vez que abordan aspectos críticos como la protección de las vías y los requisitos de cualificación.

Las modernas técnicas de fabricación han ampliado las posibilidades de implementación de vías, pero también presentan ciertas limitaciones que los diseñadores deben tener en consideración. Por ejemplo, la producción de vías ciegas y enterradas implica procesos complejos que requieren técnicas precisas de taladrado y chapado. La relación de aspecto de las vías (es decir, la relación entre el diámetro y la profundidad del orificio) sigue siendo un factor crítico que afecta tanto a la capacidad de fabricación como a la fiabilidad.

05.06.2025