Cuándo y dónde deben utilizarse los PCB multicapa

La demanda de placas de circuito impreso multicapa está creciendo. Los rápidos dispositivos electrónicos de pequeño tamaño han popularizado mucho los PCB multicapa. Estos tipos de placas de circuito impreso permiten una miniaturización sin precedentes, con una tasa de densidad muy elevada. Los PCB multicapa son circuitos impresos compuestos por más de dos capas. Por tanto, deben incorporar como mínimo tres capas de material conductor en el material de aislamiento. Por otra parte, los PCB de doble cara tienen solamente dos capas de material conductor, la parte superior y la base. Actualmente, dispositivos extremadamente complejos como los teléfonos móviles, los televisores inteligentes o smart TV, los ordenadores, etc. no podrían existir sin contar con el soporte de los excelentes PCB multicapa. En este artículo examinamos las áreas donde se utilizan y las ocasiones en las que deben adoptarse.

Visión general de los PCB multicapa

Con las nuevas tecnologías y la gran integración de componentes, los circuitos electrónicos resultan ahora extremadamente complejos y las conexiones entre las diversas piezas se han multiplicado enormemente. Los circuitos de una cara y de doble cara ya no son suficientes y para las aplicaciones de alta frecuencia es esencial mantener un grosor de montaje extremadamente bajo al objeto de evitar incrementos capacitivos indeseados. Dicho en otras palabras, actualmente, los PCB multicapa son la única solución que permite la creación de los circuitos eléctricos y electrónicos que conocemos hoy en día. Los teléfonos móviles, ordenadores, placas base, sistemas integrados y otros tienen un PCB multicapa y si, aparentemente, no son visibles, su presencia está garantizada gracias a la extrema compacidad de estos dispositivos. Como el nombre sugiere, son una combinación de varias capas. Los PCB de una cara y de doble cara se combinan entre sí para crear este complejo PCB final. Con un mayor número de capas, tienen una mayor área disponible para el montaje de los componentes electrónicos y el cableado. Los diversos niveles se separan entre sí con material aislante. Cada capa está dedicada a una función específica si el diseño del PCB es óptimo. La disposición de las capas no debe causar problemas a las demás capas.

Las técnicas para la producción de PCB multicapa son extremadamente complejas y solo tienen acceso a ellas empresas muy avanzadas. Actualmente es fácil encontrar PCB compuestos por 32 o más capas y las técnicas para su realización son extremadamente avanzadas. Teóricamente, también pueden crearse PCB con 100 y más niveles. Los smartphones pueden tener hasta 12 niveles, dependiendo de la complejidad de las aplicaciones que incluyan. Las diversas capas alternas (véase la figura 1) se comprimen a alta temperatura y presión para eliminar cualquier aire residual que haya quedado atrapado. De esta forma, incluso las capas conductoras quedan perfectamente encapsuladas por la resina, para un resultado final seguro y garantizado. Hay que recordar que las capas conductoras son las pistas reales, por las cuales pasa la corriente eléctrica.

Los PCB multicapa cuentan con un campo de aplicación extremadamente amplio en la actualidad y prácticamente todos los dispositivos complejos utilizan este método de conexión. Pueden encontrarse en ordenadores, circuitos de telefonía, dispositivos portátiles, sistemas industriales y médicos. Con la universalidad de uso, los PCB multicapa obviamente reportan obviamente magníficas ventajas, permiten la creación de circuitos de dimensiones reducidas, con un considerable ahorro de espacio y peso, la reducción al mínimo del cableado externo, la posibilidad de montar los componentes electrónicos respetando una mayor densidad de ensamblaje, la reducción drástica de las impedancias y las capacitancias parásitas y un apantallamiento EMI eficaz gracias al posicionamiento preciso de las capas de potencia y tierra. El uso de PCB multicapa permite implementar circuitos electrónicos muy completos en PCB de pequeño tamaño.

Figura 1: composición estándar de un PCB multicapa

Ventajas de los PCB multicapa

Los PCBs multicapa ofrecen numerosos beneficios y su uso está aumentando exponencialmente. Estas son las principales ventajas de estas tarjetas:

• la tecnología actual permite la creación de PCB rígidos y flexibles. Es evidente que cuanto mayor sea el número de capas, menor será su flexibilidad;
• con los PCB, las dimensiones de los dispositivos son menores. El apilado de las capas, de hecho, permite un ahorro de espacio y dimensiones reducidas, y los circuitos son también más ligeros debido a la ausencia de conectores;
• incrementa las capacidades y complejidades de los circuitos;
• probablemente el único aspecto negativo lo representan los precios, que son mucho más elevados que en el caso de los PCB tradicionales. Sin embargo, este pequeño problema queda ampliamente compensado por la funcionalidad y el rendimiento que se consiguen.

Acumulación incorrecta de capas

El diseño de un PCB multicapa es una operación extremadamente compleja, prácticamente se trata de un arte. Si el circuito que aloja el PCB funciona a baja frecuencia (o incluso con corriente continua) no se producen problemas sustanciales de diseño. Si, por el contrario, el sistema debe funcionar a altas frecuencias, deben respetarse muchos criterios dictados por la física, la electrónica, la electroestática y el magnetismo, a fin de preservar el funcionamiento óptimo del circuito, en todas las condiciones. Si las capas de un PCB multicapa se diseñan de forma incorrecta, pueden producirse ciertas anomalías, con frecuencia fatales, para el funcionamiento adecuado del sistema. Algunos de estos problemas son el sobreimpulso, el subimpulso, las inferencias electromagnéticas, el acoplamiento incorrecto de las señales, la diafonía e incluso su pérdida o atenuación. Como bien podemos comprender, son problemas insalvables que un circuito electrónico de calidad no debe tener en absoluto. De hecho, si tiene anomalías y defectos de señal, probablemente ni siquiera recibirá las certificaciones de aislamiento, conformidad y seguridad, para poder ser comercializado regularmente.

Un diseño perfecto del PCB, por tanto, es un paso esencial para su posterior producción. Un eficiente diseño de las capas ciertamente ahorra posteriores pérdidas de tiempo y evita que se produzcan posibles futuros problemas que podrían surgir a causa de un diseño incorrecto. El orden de las distintas capas del PCB es extremadamente crítico y deben respetarse las distintas prioridades de apilamiento, para lo cual también se tienen en cuenta los materiales y espesores de los que están hechos el sustrato y las trazas conductoras. Como puede verse en la figura anterior, las diferentes capas conductoras, como la “capa de señal normal”, la “capa de potencia”, la “capa de tierra” y la “capa de señal de alta velocidad” se colocan de forma artesanal, en relación con el proyecto en objeto. Por tanto, la posición de los planos de tierra y de los diferentes tipos de niveles de señal tienen un papel esencial en el éxito del proyecto final. Si las capas se planifican incorrectamente, pueden producirse interferencias electromagnéticas indeseadas y una calidad deficiente de la señal. Para que un PCB multicapa sea perfecto, es necesario garantizar un retorno de bucle suficiente de la señal. Asimismo, deben considerarse todos los casos de posible solapamiento o conexión cruzada entre las señales y, sobre todo, estudiar detenidamente los tipos de frecuencias de las señales a enrutar.

Las capas del PCB multinivel

La tierra proporciona un soporte de apantallamiento para las señales y, en este tipo de PCB, no deben evitarse. De hecho, debido a las altas velocidades de comunicación a las que el circuito puede estar sometido, es conveniente colocar una capa de tierra en correspondencia con cada capa de señales. A menudo, a fin de ahorrar en términos de costes finales y ded grosor de todo el sistema, es preferible limitar la superposición de capas, reduciéndolas. Por consiguiente, las capas de masa se colocan después de cada dos capas de señal, tal como se muestra en la figura. Las capas de potencia también deben colocarse muy cerca de las capas de masa. Considerando, por tanto, únicamente las capas conductoras, una posible división de las capas podría ser la siguiente:

• capa de cobre: señal normal;
• capa de cobre: capa de potencia;
• capa de tierra;
• capa de cobre: capa de señal de alta velocidad;
• capa de cobre: capa de señal de alta velocidad;
• capa de tierra;
• capa de cobre: capa de potencia;
• capa de cobre: señal normal.

Evidentemente, la distribución y el posicionamiento de los distintos niveles depende de cada caso, por lo que se pueden encontrar distintas soluciones en el mercado. La secuencia de los diversos niveles también depende, entre otras cosas, del gasto que el cliente esté dispuesto a realizar en su proyecto. En cualquier caso, los diseñadores de placas intentan separar lógicamente las capas en función de su función lógica. Por ejemplo, en un sistema complejo, como el de un ordenador, puede haber líneas de alimentación, líneas de tierra, gestión general, dispositivos, memoria, procesador y chipset. Estas líneas, dada su extrema velocidad de comunicación, no pueden insertarse en el mismo nivel, sino que deben distribuirse en diferentes capas, a los efectos de optimizar la calidad de la operación del sistema. En los PCB multicapa, las trazas de retorno o el nivel de tierra se utilizan como solución de apantallamiento. Asimismo, deben evitarse las trazas a 90°, para no tener problemas de EMI.

¿Dónde deben montarse los componentes electrónicos?

Los PCB multicapa, como se ha mencionado anteriormente, permiten crear circuitos muy complejos, compactos y miniaturizados. Gracias a estas características particulares, es posible montar los componentes (también equipados con muchos terminales) muy cerca unos de otros. De este modo, las inductancias y las capacidades parásitas disminuyen drásticamente. El procedimiento normal para el montaje de componentes electrónicos prevé su colocación en las capas externas, luego en el nivel superior y en el nivel inferior. Sin embargo, cuando los circuitos son muy complejos, puede ser necesario colocarlos en las capas internas del PCB, especialmente en sectores extremadamente críticos, como el médico, el militar y el espacial, para los que hay que despejar y eliminar completamente los motivos de interferencia eléctrica y magnética. Las distintas capas conductoras son eficazmente separadas por las capas de aislamiento. Las capas internas del PCB son normalmente placas de doble cara, mientras que las capas externas están formadas por placas de una sola cara. Para la realización de un PCB multicapa es necesario tener en cuenta varias características. La integridad de la señal es una de las más importantes. Si su diseño es deficiente, las trazas de cobre del PB pueden tener una resistencia eléctrica que, en algunos casos, puede alterar la calidad de la corriente. Por ello, son necesarias trazas con una impedancia controlada, a la vez que se aumenta el grosor del cobre.

La conexión entre los diversos niveles

Las conexiones eléctricas entre los diversos niveles se realizan con orificios metalizados (véase la figura 2). Pueden ser pasantes o ciegas. Una de las soluciones para ahorrar espacio (y también dinero) es construir las trazas normales “ocultas” dentro de las capas. Estas vías, de hecho, podrían desperdiciar espacio y se "hunden" inteligentemente dentro de la propia capa, resultando completamente enterradas o ciegas. Los tipos de conexiones pueden ser: “vía”, “vía enterrada”, “vía ciega”, “vías apiladas”, “vías escalonadas”, etc. Los diferentes niveles pueden referirse a diferentes planos, como el plano de tierra, el plano de potencia, el plano de señal, etc.

Figura 2: Las capas de un PCB se enlazan entre sí mediante diferentes técnicas

Software para crear PCB multicapa

Hoy en día, los programas informáticos para el diseño de PCB multicapa son cada vez más numerosos. Tanto los gratuitos como los comerciales, existen más y más programas que ayudan a los desarrolladores a crear PCB con muchos niveles (véase la figura 3). En la actualidad, existen excelentes programas de diseño de PCB multicapa, algunos de los cuales son recomendados por varios ingenieros de hardware. Entre ellos podemos incluir Altium Design, Eagle, KiCad y OrCAD. Estos y otros programas informáticos permiten un correcto procedimiento de apilamiento de los niveles, a través de un sofisticado gestor de apilamiento que asegura una excelente sincronización con los distintos elementos del circuito.

Figura 3: El nuevo software con frecuencia permite la creación de PCB multicapa

La planificación de la estrategia de apilamiento de los PCB por capas permite alternar entre los planos de señales y los de potencia o tierra. Cada capa está separada por un dieléctrico o prepeg. El objetivo principal es suprimir el ruido EMI, la diafonía y el cruce entre niveles, permitiendo un enrutamiento eficaz de las distintas señales entre niveles. El enrutamiento debe utilizar las vías de forma inteligente, siguiendo algunas reglas bastante críticas.

Costes

Desgraciadamente, los PCB multicapa, aunque son insustituibles, se caracterizan por tener un coste bastante elevado. Los PCB multicapa también tardan más en diseñarse y fabricarse, por lo que las empresas necesitan recibir los archivos del proyecto con mucha antelación. La reparación de los PCB multicapa también es más compleja que la de los diseños normales. La Figura 4 muestra un gráfico general de los costes medios de los PCB multicapa de tres fabricantes de la muestra. Los criterios sobre costes del gráfico son los siguientes:

• cantidad de PCB pedidos: 100; 100;
• dimensiones del PCB: 400 mm x 200 mm;
• número de niveles: 2, 4, 6, 8 y 10.

El gráfico muestra el precio medio de los PCB de tres empresas diferentes, aunque no debe tomarse como un valor absoluto, sino que sirve para hacerse una idea de cómo aumentan los precios en función del número de niveles. Evidentemente, los gastos de envío no están incluidos en el cálculo. Existen calculadoras online válidas, producidas por los propios fabricantes, que ayudan al cliente a evaluar los costes de sus circuitos impresos, eligiendo diferentes parámetros como, por ejemplo, el tipo de conductor, las dimensiones, la cantidad, el número de niveles, el material del aislamiento, el grosor y muchos más.

Figura 4: Gráfico del coste medio de los PCB con un número de nivel diferente

Conclusiones

Los fabricantes de PCB han observado un aumento de la demanda de placas multicapa debido a la necesidad de dispositivos más pequeños y complejos para diversas industrias. Se trata de PCB que solamente pueden fabricarse a nivel industrial y los costes de producción obligan a los clientes a comprar grandes cantidades. El hecho de contar con varias capas dentro de la placa de circuito impreso permite tener más circuitos y cableado para aplicaciones más complejas. Hoy en día, los fabricantes prefieren que el número de capas sea par y no impar, ya que la laminación de un número impar de capas puede hacer que el circuito resulte demasiado complejo y presente problemas. Los paneles multicapa, de hecho, se fabrican con paneles laminados de dos capas. El diseño de un PCB multicapa es, sin duda, una de las técnicas más complejas de la electrónica moderna.

04.03.2022