Nuestras principales reglas para el apilamiento y ordenamiento de las capas del PCB

La mayoría de los dispositivos electrónicos modernos incorporan placas de circuito impreso (PCB) críticas para su funcionamiento. Cada capa de un PCB está físicamente dispuesta en un apilamiento y es esencial para la funcionalidad general de la placa de circuito impreso.

Este artículo revisará las reglas básicas relativas al apilamiento y ordenamiento de las capas del PCB, considerando que, dependiendo de las especificaciones concretas del diseño, pueden producirse algunas desviaciones.

Comprensión de las distintas capas de una placa de circuito impreso

Al diseñar una placa de circuito impreso (PCB), el apilamiento y ordenamiento de las capas son esenciales a fin de asegurar tanto el funcionamiento como el rendimiento de la placa. Pero antes de pasar a cuál debe ser el orden de las capas, es importante comprender los diferentes tipos de capas que componen un PCB.

En general, existen tres tipos de capas: capas de señal, planos de alimentación/tierra y planos de división. Las capas de señal contienen condensadores, resistencias, circuitos integrados y otras piezas que completan el circuito. Por su parte, los planos de alimentación/tierra proporcionan una ruta constante para el flujo de corriente a través del dispositivo, y los planos de división pueden reducir la diafonía entre señales con diferentes potenciales. Saber qué hace cada capa es clave para determinar su orden. Con este conocimiento, puede garantizarse que el diseño de la placa se realice teniendo presente un rendimiento óptimo y, en última instancia, aportar al producto una ventaja adicional sobre la competencia.

Factores a considerar antes de diseñar un PCB

A la hora de diseñar un PCB, deben tenerse en cuenta algunos factores clave antes de empezar. Ello asegurará que el diseño satisfaga los requisitos de la aplicación.

Los principales factores clave que deben tenerse en cuenta son los siguientes:

• Número de capas – Los diseñadores deben decidir cuántas capas tendrá el PCB. En general, las placas de dos y cuatro capas son el estándar para componentes pequeños, pero las placas más complejas pueden requerir seis o incluso ocho capas.
• Material del sustrato – El material del sustrato empleado en la placa debe seleccionarse cuidadosamente. Los materiales habituales son FR-4 epoxi, Rogers 4003 y poliimida. Cada material tiene sus propias características, por lo que es importante seleccionar uno que cumpla los requisitos de consumo de energía, presupuesto y frecuencia.
• Orden de las capas – El orden de las capas del PCB afecta a la integridad de la señal y al rendimiento. Las señales críticas, por ejemplo, se colocarán en las capas interiores y no en las exteriores, mejorando así la integridad de la señal.
• Configuración de apilamiento – La configuración de apilamiento determina cuánto espacio se asigna entre cada capa y si es necesario apantallar o aislar alguna señal de las demás. Los diseñadores considerarán el peso del cobre de cada traza y el tamaño de cualquier muesca o ranura al proceder al diseño de este aspecto de la disposición de la placa.

Lo que hay que saber sobre el ordenamiento y apilamiento de capas

Cuando los diseñadores tienen que afrontar los desafíos que plantea el ordenamiento y apilamiento de capas, hay algunos aspectos clave que deben conocer.

1 - Pensar en las especificaciones de diseño

Deben tenerse en cuenta los requisitos del diseño antes de empezar a desarrollar el apilamiento de un PCB. Algunas importantes consideraciones incluyen el tamaño de la placa, el tipo de transmisión de la señal, las frecuencias implicadas y el número de capas. Dependiendo de los requisitos de diseño, el apilamiento del PCB precisará un determinado número y tipo de capas.

2 - Determinar el tipo de capa

El siguiente paso consiste en decidir qué tipo de capas necesita el PCB. Los planos de señal, alimentación y tierra son los tres tipos distintos de capas que componen el apilamiento de un PCB. Los planos de tierra se emplean para proporcionar un canal de retorno de baja impedancia para las señales, las capas de señal se utilizan para transportar señales entre componentes y las capas de alimentación se destinan al suministro de alimentación a los componentes.

Los diseñadores deben empezar siempre por la capa de señal, la primera capa del apilamiento donde se enrutan la mayoría de las señales. La capa de señal debe ser adyacente a las capas de alimentación y tierra. En cualquier caso, el número de capas en el apilamiento del PCB debe optimizarse al objeto de equilibrar el coste y la complejidad del diseño con los requisitos de integridad de la señal y EMI.

3 - Ordenar las capas

El siguiente paso es ordenar las capas una vez decididos los tipos de capas. Las capas de señal se apilan entre dos planos de tierra siguiendo el orden normal de apilamiento del PCB. Esta configuración protege de manera adecuada las capas de señal y reduce las interferencias electromagnéticas (EMI).

Una buena práctica consiste en alternar las capas de alimentación y de tierra, lo que contribuye a mantener una impedancia constante y a reducir las interferencias electromagnéticas en la placa. Asimismo, las señales de alta velocidad deben mantenerse cerca de tierra. Para las señales de alta velocidad, como es el caso de las que se utilizan en circuitos digitales, es importante mantener la capa de señal lo más cerca posible de un plano de tierra para reducir el ruido y mantener la integridad de la señal.

Si el PCB incluye señales tanto analógicas como digitales, es importante separarlas en diferentes capas para reducir las interferencias entre ellas. Si el diseño requiere conexiones adicionales de alimentación y tierra, se recomienda añadir capas específicas de alimentación y tierra al apilamiento.

4 - Decidir el grosor y el material de las capas

El grosor y el material de las capas son factores esenciales que hay que tener en cuenta a la hora de construir un apilamiento de PCB. El grosor de las capas afectará a la impedancia de las trazas, y el material afectará a la constante dieléctrica y a la tangente de pérdida. Una buena selección de posibles materiales de sustrato es la siguiente:

• FR-4, el material de uso más generalizado en PCB, es un material laminado epoxi reforzado con vidrio que ofrece propiedades dieléctricas deseables, buena resistencia mecánica y a un precio asequible. Tiene una constante dieléctrica de 4,3 y una tangente de pérdida de 0,02.
• El FR-4 de alta temperatura es similar al FR-4 estándar, pero puede tolerar temperaturas superiores de hasta 170ºC sin ninguna degradación térmica significativa, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alto rendimiento.
• Material de PCB flexible: El material de PCB flexible puede doblarse, retorcerse o plegarse, lo que resulta ideal para aplicaciones que exigen un diseño más compacto y ligero, como los dispositivos portátiles y médicos.
• La poliimida es un material altamente estable y robusto que soporta altas temperaturas y entornos rigurosos. Debido a sus propiedades, se utiliza habitualmente en aplicaciones aeroespaciales, militares y médicas.
• Rogers es un material de marca registrada que ofrece propiedades dieléctricas superiores, alta conductividad térmica, estabilidad y baja tangente de pérdida. Se usa comúnmente en aplicaciones de alta frecuencia, como telecomunicaciones, aeroespaciales y defensa. La Figura 1 muestra un PCB que incluye material de sustrato Rogers RO4003C.

5 - Determinar la anchura y el espaciado de las trazas

La anchura y el espaciado de las trazas son factores cruciales que afectan a la impedancia y al funcionamiento del PCB. La anchura de la traza debe diseñarse para transportar la corriente necesaria sin sobrecalentarse, y el espaciado debe ser suficiente para evitar la diafonía y las interferencias.

6 - Comprobar la integridad de la señal en el diseño del apilamiento

Una vez diseñado el apilamiento del PCB, es esencial comprobar la integridad de la señal. Los problemas de integridad de la señal, como la diafonía, las reflexiones y la atenuación, pueden afectar significativamente al rendimiento del circuito. Se empleará una herramienta de análisis de la integridad de la señal para simular y verificar el diseño.

Figura 1: PCB con material de sustrato Rogers RO4003C

Pros y contras de los PCB multicapa

Los apilamientos de PCB multicapa, que incluyen PCB de 4, 6 o más capas, ofrecen varias ventajas e inconvenientes con respecto a los PCB monocapa o de doble capa. Los apilamientos de PCB multicapa aportan muchas ventajas en cuanto a densidad, integridad de la señal y funcionalidad, pero comportan unos costes y una complejidad adicionales en términos de diseño y fabricación. La decisión de utilizar un PCB multicapa debe basarse en los requisitos específicos del circuito y en los recursos disponibles para el diseño y la fabricación del PCB.

Estos son algunos de los pros y los contras de los apilamientos de PCB multicapa.

Ventajas:

• Mayor densidad: Los PCB multicapa permiten empaquetar más componentes y circuitos en un área más pequeña, lo que aumenta la densidad del circuito y reduce el tamaño total del PCB.
• Mejor integridad de la señal: Los PCB multicapa proporcionan una mejor integridad de la señal al reducir los efectos del ruido, la diafonía y las interferencias electromagnéticas (EMI) en el circuito. Esto se consigue añadiendo planos de tierra y alimentación y proporcionando más capas para el enrutamiento de la señal.
• Funcionalidad intensificada: Los PCB multicapa pueden proporcionar funcionalidad y características adicionales, como múltiples planos de alimentación y tierra, enrutamiento controlado por impedancia y pares diferenciales.
• Rentable: Pese a ser más caros que los PCB monocapa o de doble capa, los PCB multicapa pueden ser rentables en comparación con sus equivalentes monocapa o de doble capa. Ello se debe a que reducen el tamaño y peso totales del PCB, así como el número de componentes necesarios.

Inconvenientes:

• Coste: Los PCB multicapa son más caros que los PCB monocapa o de doble capa debido a las capas adicionales y a los procesos de fabricación requeridos.
• Complejidad: El diseño y la fabricación de PCB multicapa revisten mayor complejidad que en el caso de PCB monocapa o de doble capa. Se requiere una planificación más minuciosa y conocimientos especializados para lograr un funcionamiento y una fiabilidad óptimos.
• Disponibilidad: Es posible que no todos los fabricantes de PCB ofrezcan fácilmente placas multicapa, especialmente si el número de capas es elevado o si se trata de requisitos especializados.
• Desafíos de fabricación: El proceso de fabricación de PCB multicapa implica varios pasos, como la perforación, el chapado y el laminado, que pueden resultar complicados y requerir mucho tiempo. Esto puede dilatar los plazos de entrega y comportar un mayor riesgo de defectos de fabricación.

El apilamiento de PCB de 4 capas

El apilamiento de PCB de 4 capas (Figura 2) es un diseño común y versátil que equilibra funcionalidad y rentabilidad, por lo que resulta adecuado para una amplia gama de aplicaciones electrónicas. Normalmente consta de cuatro capas de trazas y planos de cobre intercaladas entre capas aislantes. Las capas se numeran desde la capa superior hasta la inferior, y la secuencia de capas en el apilamiento de un PCB de 4 capas suele ser la siguiente:

• Capa superior: Se trata de la capa superior del PCB, que contiene los componentes y el enrutamiento de la parte superior de la placa.
• Capa de señal 1: Es la primera capa interior, que contiene el enrutamiento y los componentes para las señales que deben cruzarse entre las capas superior e inferior.
• Plano de tierra o de alimentación: Es la segunda capa interna y sirve como plano de tierra o de alimentación, dependiendo de los requisitos del circuito. Un plano de tierra se utiliza para proporcionar una vía de retorno de baja impedancia para las señales, mientras que un plano de alimentación se utiliza para proporcionar alimentación a los componentes.
• Capa inferior: Es la capa inferior del PCB, que contiene los componentes y el enrutamiento de la parte inferior de la placa.

Las capas aislantes entre las capas de cobre están fabricadas con un material dieléctrico, normalmente FR-4 o algún otro material compuesto. El grosor de las capas aislantes y de cobre depende de los requisitos del circuito y de las especificaciones de diseño.

Además de las capas de cobre y aislantes, un PCB de 4 capas también puede tener vías, que son pequeños orificios perforados a través del PCB, que conectan las capas de cobre. Las vías pueden ser orificios pasantes chapados (PTH) u orificios pasantes no chapados (NPTH) y se emplean para proporcionar conexiones entre capas para las señales y la alimentación.

Figura 2: Disposición de un PCB de 4 capas común

Conclusión

El diseño de un apilamiento de PCB es crucial en la construcción de un PCB funcional y eficiente. Si se tienen en cuenta los requisitos de diseño, los tipos de capas, el orden de las capas, el grosor, el material, la anchura de las trazas, el espaciado y la integridad de la señal, se puede garantizar el rendimiento óptimo del PCB. El uso de una herramienta de diseño de PCB resulta útil a la hora de crear y verificar el diseño del apilamiento.

20.09.2023