Las placas de circuito impreso (PCB) son componentes integrales de la electrónica moderna. Proporcionan la base para montar y conectar componentes electrónicos, desde teléfonos celulares hasta electrodomésticos.
Si bien los primeros PCB utilizaban solo una capa de cobre, los avances en la fabricación ahora permiten fabricar PCB con múltiples capas.
Este artículo explora los diferentes tipos de capas de PCB, cuándo usarlas y las ventajas de las placas de una, dos y varias capas. Comprender las capas de PCB ayuda a crear diseños de circuitos impresos eficientes y adaptados a cualquier aplicación.
Así que, vayamos directo al artículo sin perder más tiempo.
¿Qué es una capa de PCB?
Una capa de PCB es cada lámina delgada de cobre conductor incorporada a la placa de circuito. Si bien las PCB más sencillas tienen solo dos capas (superior e inferior), se pueden insertar capas adicionales entre ellas según sea necesario.
Cada capa cumple una función específica: proporciona vías para enrutar las conexiones eléctricas entre los componentes. El número de capas influye en la complejidad y el coste de fabricación de una PCB.
Un mayor número de capas permite mayor flexibilidad al diseñar un esquema, pero incrementa los gastos de materiales y producción. Optimizar el número de capas proporciona suficiente espacio de cableado sin sobrecargar el diseño.
Una lámina de material dieléctrico aislante separa cada capa conductora. Los dieléctricos comunes incluyen fibra de vidrio FR-4, poliimida y sustratos cerámicos. Las vías, compuestas por orificios pasantes revestidos, conectan las pistas entre las capas según sea necesario.
El apilamiento cuidadoso de cobre y dieléctrico crea una placa multicapa capaz de incorporar miles de pistas en un área compacta.
¿Qué es una PCB de una sola capa?
Una PCB monocapa contiene solo una capa de pistas conductoras de cobre sobre un sustrato aislante no conductor. Los componentes están montados en un lado, con sus terminales soldados a las pistas expuestas. El otro lado puede presentar marcas gráficas serigrafiadas para su identificación.
Las PCB de una sola capa surgieron en las primeras etapas del desarrollo de la tecnología de circuitos impresos. Ofrecían un método económico para conectar componentes mediante pistas de cobre grabadas, en lugar de conexiones punto a punto cableadas manualmente.
Aunque su capacidad de enrutamiento es limitada, las PCB monocapa admiten adecuadamente circuitos simples de baja densidad. Su fabricación solo requiere un único proceso de grabado y perforación, lo que facilita y economiza el proceso.
Ventajas del diseño de placa de una sola capa
La simplicidad innata de un tablero de una sola capa aporta algunos beneficios naturales:
● Bajos costos de producción debido a los requisitos mínimos de material y proceso
● Tiempos de fabricación rápidos
● Diseño de circuito sencillo sin restricciones multicapa complejas
● Adecuado para aplicaciones con necesidades mínimas de enrutamiento de seguimiento
● Facilita la fabricación de grandes volúmenes y el ensamblaje rápido
● Las reparaciones generalmente son fáciles al acceder a todos los conductores desde un lado
Limitaciones de la PCB de una sola capa:
● Las capacidades de PCB de una sola capa están por detrás de las de sus contrapartes multicapa
● El área de superficie restringida limita la densidad de los componentes
● La falta de planos de tierra y de potencia puede comprometer la integridad de la señal
● Las señales de alta velocidad requieren control de impedancia mediante apilamiento de capas
● Agrega tamaño y peso cuando la funcionalidad expandida requiere tableros más grandes
Aplicaciones típicas de PCB de una sola capa
A pesar de las limitaciones inherentes, las PCB de una sola capa aún brindan el equilibrio ideal entre simplicidad y capacidad para:
● Productos electrónicos básicos de consumo, como cafeteras y radios despertadores.
● Circuitos de sensores y actuadores analógicos de baja frecuencia
● Controladores de iluminación LED
● Reguladores de fuente de alimentación
● Formadores educativos y foros de aficionados al bricolaje
Así, mientras las PCB multicapa dominan la electrónica compleja, las placas de una sola capa, probadas y verdaderas, continúan dando servicio a muchas aplicaciones de baja densidad y sensibles a los costos.
¿Qué son las PCB multicapa?
A medida que los dispositivos electrónicos se vuelven más complejos, las exigencias a las PCB aumentan consecuentemente. Esto ha llevado a la proliferación de PCB multicapa, que ofrecen mayor capacidad y flexibilidad de enrutamiento en comparación con las placas simples de una o dos capas.
La construcción de una PCB multicapa implica laminar capas alternas de materiales aislantes y conductores mediante altas temperaturas y presión. Las capas dieléctricas aislantes, generalmente de resina epoxi reforzada con fibra de vidrio, separan las capas conductoras de cobre y evitan cortocircuitos.
Los sofisticados dieléctricos cerámicos o de fluoropolímero permiten que las PCB multicapa funcionen a frecuencias y temperaturas más altas. El proceso de laminación garantiza una unión uniforme entre capas sin huecos que puedan comprometer el rendimiento y la fiabilidad.
Los PCB multicapa constituyen la columna vertebral de innumerables sistemas de alta tecnología, incluidos ordenadores, infraestructura de telecomunicaciones, equipos de diagnóstico médico y aviónica aeroespacial.
Su mayor espacio y densidad de enrutamiento se adaptan fácilmente a los complejos circuitos de estos dispositivos. Por ejemplo, la PCB multicapa de un teléfono inteligente puede contener más de una docena de capas para integrar los diversos subsistemas y componentes.
Ventajas de los PCB multicapa
La principal ventaja de las PCB multicapa es su capacidad para integrar circuitos complejos y densos en un espacio compacto. Cada capa proporciona una superficie adicional para el trazado de conductores y la colocación de componentes.
Esto facilita la minimización del tamaño total de la PCB, a la vez que cumple con los requisitos de interconexión. La construcción multicapa mejora la robustez mecánica y la estabilidad, ya que los materiales dieléctricos laminados inhiben la torsión y la deformación.
Limitaciones de las PCB multicapa
Sin embargo, las PCB multicapa son más caras que las versiones más sencillas. El proceso de laminación requiere materiales, equipos y experiencia adicionales, lo que se traduce en mayores gastos de fabricación.
La reparación de fallas en las capas internas también presenta dificultades. Por lo tanto, los ingenieros deben evaluar las ventajas y desventajas al seleccionar PCB multicapa para una aplicación específica.
Las prácticas de diseño y pruebas rigurosas ayudan a garantizar que las placas terminadas funcionen de manera confiable durante su vida útil prevista.
Entonces, ¿A dónde nos lleva esto?
Los continuos avances en materiales, métodos de fabricación y herramientas de diseño permiten a los ingenieros eléctricos ir más allá con las capacidades de las PCB multicapa. Esto impulsa el desarrollo de dispositivos electrónicos más pequeños, rápidos y potentes que impulsan el progreso tecnológico. Dominar las complejidades de las PCB multicapa sigue siendo una competencia esencial para los diseñadores e ingenieros de PCB.
PCB de 2 capas: Economía y simplicidad
La PCB de dos capas o de doble cara ofrece la opción más económica, ya que intercala un único núcleo aislante entre finas capas de cobre a cada lado. Los componentes se montan en ambas superficies exteriores, lo que permite una densidad moderada.
Sin embargo, el espacio limitado de la placa dificulta el enrutamiento complejo de circuitos densos o de alta velocidad. Las vías perforan el núcleo para interconectar las capas superior e inferior, pero consumen espacio.
Las placas de dos capas son ideales para aplicaciones de bajo coste y baja complejidad. Su construcción sencilla también facilita el montaje y la reparación.
PCB de 4 capas: capacidad mejorada
Dos planos internos de cobre adicionales flanquean un núcleo aislante más grueso en PCB de cuatro capas, que suelen servir como capas de distribución de energía y de referencia de tierra. La separación de la alimentación y la tierra mejora la integridad de la señal y reduce el ruido.
El espacio de enrutamiento adicional facilita la disposición de las pistas y permite una mayor densidad de componentes en comparación con las versiones de dos capas. Los apilamientos de cuatro capas también mejoran la estabilidad mecánica y la disipación térmica.
La placa puede configurarse con más capas de señal asignando múltiples funciones a las cuatro capas. La complejidad de fabricación, moderadamente mayor, se justifica para muchas aplicaciones que requieren una capacidad superior a la que ofrecen las placas simples de dos capas.
PCB de 6 capas: Equilibrio de señales y blindaje
En las PCB de seis capas, dos capas internas adicionales complementan la pila de cuatro capas. Normalmente configurada como una configuración de señal-alimentación-tierra-señal-alimentación-señal, esta pila equilibra las pistas y el apantallamiento.
Los dos planos internos de tierra y alimentación aíslan las capas intermedias de señal entre sí y de las interferencias externas. Esto permite un enrutamiento más denso y de mayor velocidad que el que admiten las versiones de cuatro capas.
Las capas externas gestionan las pistas de baja velocidad y la ubicación de los componentes. Por lo tanto, el apilamiento de seis capas proporciona suficiente señalización y protección para muchos diseños complejos.
PCB de 8 capas: Conexión de circuitos de alta densidad
Para demandas aún mayores, las PCB de ocho capas incorporan dos capas de señal adicionales. El apilamiento suele utilizar múltiples capas de plano de tierra para mejorar el blindaje y el aislamiento entre señales.
Esto facilita el enrutamiento de circuitos de alta densidad con altas velocidades de flanco y estrictos requisitos de integridad de señal. Las capas adicionales también permiten trazas de distribución de energía más gruesas y de menor impedancia para suministrar una corriente robusta a los componentes sin caídas de tensión.
En resumen, la capacidad ampliada de las PCB de ocho capas las hace ideales para sistemas de alta velocidad y alta complejidad donde el rendimiento es primordial.
Cómo seleccionar cuidadosamente las capas de PCB adecuadas
Al planificar la superposición de capas de PCB, los ingenieros consideran factores como la integridad de la señal, el suministro de potencia, la disipación térmica, la viabilidad de fabricación y el coste. La elección óptima depende de la complejidad del circuito y la densidad de enrutamiento.
Las herramientas de simulación y modelado ayudan a optimizar las configuraciones de apilamiento. Si bien las placas PCB con más capas ofrecen numerosas ventajas, las versiones de dos capas facilitan la reparación y siguen siendo la opción más rentable cuando la simplicidad del diseño lo permite.
La compensación entre capacidad y costos de fabricación incentiva el uso del mínimo de capas que satisfaga los objetivos de diseño. Por lo tanto, comprender esto ayuda a los ingenieros a adaptar los diseños a la configuración adecuada.
Tipos de capas de PCB
Las placas de circuito impreso (PCB) contienen una pila de cobre conductor y capas dieléctricas aislantes para enrutar las pistas y aislar las señales. A continuación, se presentan algunos de los principales tipos de capas de PCB y sus funciones en el diseño:
Capas mecánicas
La capa mecánica primaria define con precisión los límites físicos y las dimensiones de la PCB para su fabricación y ensamblaje. Define la longitud, el ancho, la forma y los radios de las esquinas de la placa.
Las capas mecánicas auxiliares adicionales pueden especificar detalles como cortes físicos, pestañas, orificios de mecanizado, bordes y otros elementos mecánicos no conductores. Sin embargo, la mayoría de los diseños de PCB solo requieren una capa mecánica.
Capas de protección
Las capas de exclusión ayudan a restringir el diseño al delimitar zonas de exclusión donde no se pueden colocar componentes ni enrutamiento. Por ejemplo, las capas de exclusión pueden reservar espacio alrededor del perímetro de la placa o en áreas internas que deben permanecer libres de piezas y trazas para el acceso de ensamblaje o servicio.
Las exclusiones actúan como ayudas visuales durante el enrutamiento y permiten una rápida detección de infracciones. Ayudan a optimizar el espaciado de los componentes y la densidad del enrutamiento de trazas.
Capas de enrutamiento de señales
Las capas de señal superior, inferior e interna contienen las pistas de cobre que interconectan los componentes electrónicos. Las piezas de montaje superficial y de orificio pasante están fijadas a las almohadillas de las capas externas.
Las pistas enrutan las señales entre los pads, las vías y los componentes ubicados a lo largo de la PCB. Un enrutamiento cuidadoso de las pistas busca lograr la adaptación de impedancia, minimizar la diafonía, controlar la EMI y cumplir con los requisitos de temporización del circuito. Los diseños de alta densidad pueden requerir múltiples capas de enrutamiento de señales, tanto internas como externas.
Planos de potencia y tierra
Capas completas, dedicadas como planos de referencia de baja impedancia, distribuyen la potencia y las tensiones de tierra uniformemente por toda la PCB. Esto proporciona un suministro de tensión limpio y estable a los componentes y permite rutas de retorno robustas.
Los planos también sirven como referencias de CA de baja impedancia, lo que mejora la integridad de la señal en comparación con las trazas discretas. Las amplias áreas de cobre contiguas también disipan eficazmente el calor. Los condensadores de desacoplamiento ubicados cerca de las cargas de los circuitos integrados ayudan a reducir aún más el ruido en la distribución de energía.
Planos de potencia y tierra divididos
Los planos divididos permiten la segmentación de las capas de potencia y tierra en regiones aisladas con diferentes voltajes. Por ejemplo, un plano de tierra dividido puede proporcionar zonas de tierra analógicas y digitales para evitar el acoplamiento de ruido.
Los planos de potencia divididos pueden suministrar los múltiples niveles de voltaje requeridos por diversos componentes. Es necesario colocar cuidadosamente las líneas de segmentación y la asignación de componentes para utilizar los planos divididos eficazmente.
Capas de máscara de soldadura
Una máscara de soldadura es una capa de laca aislante u otro polímero protector que se aplica selectivamente a la superficie de la placa de circuito impreso (PCB). Previene la oxidación y los cortocircuitos causados por contaminantes como residuos o condensación.
Sin embargo, deja áreas cruciales sin cubrir, como las pistas de los componentes y las vías, para permitir la soldadura. La máscara de soldadura delimita visualmente las áreas de conducción y aislamiento. Se deben mantener anchos de banda mínimos entre las aberturas de la máscara para evitar interrupciones de tensión.
Capas de pasta de soldadura
Las capas de pasta de soldadura indican las almohadillas y las áreas que requieren su aplicación antes de colocar los componentes de montaje superficial. La pasta mejora el flujo capilar entre los cables y las almohadillas durante la soldadura por reflujo.
Una correcta deposición de pasta facilita el ensamblaje y optimiza la calidad de la unión soldada. Generalmente, se requieren capas de pasta de soldadura para diseños que utilizan piezas empaquetadas de paso fino.
Capas de serigrafía
La serigrafía aplica identificadores de componentes, designadores de referencia, títulos de placas, marcas y otros textos imprimibles al acabado superficial. Esto facilita la inspección visual, la fabricación, la resolución de problemas, el seguimiento del inventario y el mantenimiento de los conjuntos de PCB.
Las serigrafías suelen utilizar la capa de máscara de soldadura como fondo. Deben respetarse las tolerancias de registro entre la máscara y la serigrafía. Las serigrafías suelen limitarse a las capas exteriores.
Preguntas frecuentes sobre las capas de PCB
1) ¿Es posible tener una PCB de 7 capas?
Sí, las PCB de 7 capas son indudablemente viables. El número impar de capas permite apilamientos simétricos con un núcleo central y divisiones de capas iguales a ambos lados. Esto proporciona un buen aislamiento de la señal y disipación térmica. Las capas adicionales ofrecen mayor flexibilidad de enrutamiento en comparación con las placas de 6 capas.
2) ¿Cómo se determina el número de capas en una PCB?
El número de capas depende de la complejidad del circuito, la densidad de enrutamiento, la cantidad de componentes y los requisitos de rendimiento. Un mayor número de capas permite un mayor espacio de enrutamiento de las pistas y la segregación de señales críticas. Los diseños de alta velocidad pueden requerir más capas para mantener la integridad de la señal.
3) ¿Qué grosor tiene una capa de PCB?
El espesor estándar de la capa de PCB es de 1 onza de cobre, equivalente a aproximadamente 1.4 milésimas de pulgada (35 micras). Un espesor de cobre más grueso, de 2 onzas, mejora aún más la conductividad y la disipación térmica. El espesor del núcleo dieléctrico en las placas multicapa suele oscilar entre 2 y 8 milésimas de pulgada, dependiendo del número de capas.
4) ¿Cuál es la capa máxima de una PCB?
No existe un número máximo específico de capas en la fabricación de PCB multicapa. Los diseños complejos, como los FPGA de alta gama y los chips de red, pueden incorporar 20 capas o más. Sin embargo, un número extremadamente elevado de capas supone desafíos y gastos de fabricación. La mayoría de las PCB comerciales para aplicaciones de consumo con precios competitivos tienen un máximo de 12 capas.
Conclusión
En resumen, las capas de las placas de circuito impreso (PCB) permiten la densidad de enrutamiento y el aislamiento de señales, esenciales para la electrónica sofisticada. Las placas PCB monocapa son suficientes para diseños básicos y económicos, mientras que las placas multicapa admiten funcionalidades complejas.
Los apilamientos de dos, cuatro, seis y ocho capas ofrecen mejoras graduales, ya que un mayor número de capas permite una mayor capacidad de enrutamiento y segregación de señales. Una configuración cuidadosa de las capas también facilita el control de la impedancia y el suministro de potencia.
Si bien añadir capas aumenta la complejidad de fabricación, la mayor capacidad suele justificar la compensación por circuitos de alta densidad. Adaptar el número de capas a las limitaciones de diseño ayuda a equilibrar el rendimiento, el coste y la viabilidad de fabricación al planificar el apilado de PCB.
