12 requisitos para diseñar correctamente el apilamiento de sus PCB

La creciente demanda de productos electrónicos más compactos exige PCB de múltiples capas y una perspectiva de diseño tridimensional. Esta perspectiva de diseño plantea nuevos problemas relativos a las estrategias de diseño, como el paquete de la CMS (componentes montados en superficie) y el apilamiento de las capas. El amontonamiento o apilamiento de PCB ha aumentado en gran medida últimamente, con la producción de circuitos impresos cada vez más complejos, compuestos por múltiples capas. Los primeros prototipos de PCB eran simples y servían únicamente como base de conexión para componentes electrónicos. Dada su sencillez, no fue necesario apilar varias capas. Consideremos algunas reglas para diseñar mejor los sistemas de apilamientos con el fin de crear sistemas altamente profesionales.

Apilamiento

El apilamiento consiste en ensamblar las capas de cobre y aislantes que componen PCB antes de diseñar la configuración final de la tarjeta. Lograr un buen apilamiento no es tarea fácil, y las empresas que fabrican circuitos impresos multicapas, como Proto-Electronics, una plataforma europea dedicada a la rápida creación de circuitos impresos en CMS (SMT) y componentes de intersección para los profesionales, deben estar a la vanguardia de la tecnología.

La integración de varias capas (véase la figura 1) aumenta la capacidad de la tarjeta para distribuir energía, reduce la interferencia cruzada, elimina las interferencias electromagnéticas y permite soportar las señales de alta velocidad. Si bien un nivel de apilamiento permite obtener varios circuitos electrónicos en una sola tarjeta a través de las diferentes capas de la tarjeta PCB, la estructura del diseño del apilamiento PCB ofrece muchas otras ventajas:

• Un apilamiento de capas PCB puede contribuir a reducir la vulnerabilidad del circuito al ruido exterior, así como a disminuir la radiación y los problemas de impedancia y diafonía en los sistemas de alta velocidad;
• Un buen apilamiento de PCB también puede contribuir a una producción final eficaz y de bajo coste;
• Un apilamiento correcto de capas PCB puede mejorar la compatibilidad electromagnética del proyecto.

En el caso de un PCB de una o dos capas, rara vez se tiene en cuenta el espesor de la tarjeta. Sin embargo, con el advenimiento de PCB de múltiples capas, el apilamiento de materiales está empezando a ser cada vez más importante y el coste final es el factor que afecta a todo el proyecto. Los apilamientos más simples pueden incluir PCB de cuatro capas. Los más complejos requieren una estratificación secuencial profesional. Cuanto mayor sea el número de capas, mayor será la libertad del diseñador para desconectar su circuito, con menos probabilidades de caer en soluciones "imposibles". Las operaciones de superposición de los PCB consisten en superponer las capas de cobre y las capas aislantes que componen un circuito. El apilamiento que elija puede desempeñar un papel importante en el rendimiento de la tarjeta de varias maneras.

Una buena gestión del apilamiento permite obtener excelentes productos

Por ejemplo, una superposición correcta de las capas puede reducir la impedancia de la tarjeta y limitar la radiación y la diafonía. También tiene un gran impacto en el rendimiento CEM (compatibilidad electromagnética) de un producto. Por otra parte, una concepción errónea del apilamiento puede aumentar considerablemente las radiaciones y el ruido del circuito. Hay cuatro factores importantes que conviene tener en cuenta en el apilamiento de tarjetas:

• el número de capas;
• el número y los tipos de planos utilizados (planos de alimentación y planos de masa);
• clasificación y orden de los niveles;
• el espaciamiento entre los niveles.

En general, estos factores se tienen poco en cuenta, a excepción de aquellos relativos al número de capas. A menudo, el cuarto factor ni siquiera es conocido por el diseñador de PCB. Para decidir el número de capas, deberá tener en cuenta los siguientes elementos:

• el número de señales que deben ser enviadas y su coste;
• la frecuencia de funcionamiento;
• si el producto ha de responder a las exigencias de emisión de la clase A o B;
• si la PCB está destinada a formar parte de un cuerpo blindado o no;
• Si el equipo de diseño posee competencias en materia de normas y reglamentos relativos a la CEM.

Todos los factores son importantes y esenciales y deben ser tratados con la misma atención. Los planos multicapas que utilizan el plan de masa y de alimentación permiten una reducción significativa de las emisiones de radiación. Una regla empírica a menudo utilizada indica que una tarjeta de cuatro capas producirá 15 dB menos de radiación que una tarjeta de dos capas, siendo todos los demás factores idénticos.

Las normas y los criterios para realizar un buen apilamiento

Para lograr un buen apilamiento son necesarios cientos de normas y criterios. Algunos de ellos son:

1. Son preferibles las tarjetas de plano masivo, ya que permiten el envío de señales en una configuración de microcintas o línea de cinta equilibrada. También reducen significativamente la impedancia de masas y, por consiguiente, el ruido del suelo;
2. las señales de alta velocidad deberán estar "enrutadas" sobre capas intermedias situadas entre los diferentes niveles. De este modo, los planos de masa pueden actuar como un escudo y contener las radiaciones procedentes de las pistas de alta velocidad;
3. las capas de señales deberán estar muy próximas unas a otras, incluso en planos adyacentes;
4. una capa de señal debe estar siempre adyacente a un plano;
5. disponer de varios planos de masa es muy ventajoso, ya que reducen la impedancia de masa de la tarjeta y reducen la radiación por un medio corriente;
6. los planes de alimentación y de masa deberán estar estrechamente enlazados entre sí;

Para alcanzar todos estos objetivos, es necesario funcionar con un mínimo de ocho capas. Además:

1. desde un punto de vista mecánico, es aconsejable establecer una sección transversal para evitar deformaciones;
2. las configuraciones deberán ser simétricas. Por ejemplo, en una PCB de ocho capas, si el nivel 2 es un plano, el nivel 7 debe ser igualmente un plano;
3. si los niveles de señal están próximos a los niveles del plano (masa o alimentación), la corriente de retorno puede circular sobre un plano adyacente, lo que reduce la inductancia de la pista de retorno a un mínimo;
4. A fin de mejorar aún más el rendimiento en el ruido y en el IEM (interferencias electromagnéticas), el aislamiento entre una capa de señal y su plano adyacente puede ser aún más fino;
5. una consideración importante que hay que tener en cuenta es el espesor de cada capa de señal. Existen espesores estándar, así como propiedades de diferentes tipos de materiales de circuitos impresos. Al seleccionar los materiales, se recomienda tener en cuenta sus propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas;
6. utilice software excelente para ayudarle a diseñar su apilamiento. Todo esto es necesario para seleccionar los materiales adecuados en la biblioteca y realizar cálculos de impedancia basados en los materiales y sus dimensiones.

Es necesario diseñar con cuidado las PCB

Debido a las altas velocidades de funcionamiento de los circuitos actuales, es necesario un diseño cuidadoso de las PCB, y esto se convierte, en todos los aspectos, en un arte. Una tarjeta de circuito impreso mal diseñada puede degradar el rendimiento eléctrico de la transmisión de señales, la distribución de energía, la productibilidad y la fiabilidad a largo plazo del producto acabado.

El envío de ficheros Gerber a las empresas determinará los costes de producción, que, como en el caso de cualquier otro producto, se reducirán en función de las cantidades requeridas. El crecimiento mundial del mercado de los PCB se debe al aumento del uso de PCB multicapas y flexibles. La densidad de las tarjetas y la complejidad del diseño aumentan constantemente a medida que las empresas electrónicas intentan añadir funcionalidades a los aparatos. El precio, la calidad, el tiempo de entrega y el servicio son los criterios más comunes para elegir a un fabricante de tarjetas electrónicas, y la mayoría de la gente debería preocuparse primero por el precio.

La misión de Proto-Electronics es ayudarle en esta fase crucial del protocolo reduciendo los plazos de entrega. Los presupuestos en línea en 10 minutos y los plazos de entrega a partir de 5 días laborables le permitirán estar más tranquilo a la hora de trabajar.