Introducción
Considere una placa PCB como el corazón digital de cualquier dispositivo: smartphones, portátiles y refrigeradores inteligentes. Es una compleja estructura de vías conductoras que transmiten datos, distribuyen la energía y los componentes para la comunicación. Pero ¿cómo puede todo funcionar sin problemas en una superficie plana y bidimensional?
Aquí es donde las vías de PCB resultan útiles. Estos discretos orificios, generalmente más pequeños que la cabeza de un alfiler, funcionan como puentes que conectan las diferentes capas de las placas PCB, facilitando el flujo rápido de señales y energía entre ellas. Sin vías, nuestros dispositivos serían pesados, menos eficaces y no serían tan sofisticados como ahora.
Así que, al explorar el fascinante mundo de las vías de PCB, abordaremos sus diferentes tipos, funciones cotidianas y el papel esencial que desempeñan para que nuestras vidas, tecnológicamente avanzadas e impulsadas por la tecnología, sean posibles. Prepárense para descubrir estas maravillas en miniatura que mantienen el buen funcionamiento de nuestros dispositivos y cómo estos componentes moldean el futuro de la electrónica. ¡Comencemos!
¿Qué es una vía en PCB?
Una vía significa "acceso de interconexión vertical", un pequeño orificio o conducto cilíndrico central en las placas PCB multicapa. Las vías se configuran principalmente para establecer conexiones eléctricas entre capas de placas y ayudar a transmitir diferentes parámetros, como señales y potencia, de un lado a otro de la placa. Las vías son esenciales, ya que facilitan la creación de diseños de circuitos complejos en una sola PCB, lo que reduce el coste y ahorra espacio. Generalmente se realizan perforando orificios en los laminados de la placa y luego recubriéndolos con cobre. Como resultado, se crean rutas conductoras entre las capas. También se pueden crear vías colocando cilindros de cobre directamente en los orificios perforados.
¿Cuáles son los componentes de las vías de PCB?
La placa de circuito impreso (PCB) tiene tres componentes principales:
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Barril: El barril es el componente cilíndrico o tubular que recorre la placa. Conecta las diferentes capas de la placa y facilita el flujo de señales eléctricas o la transferencia de calor entre ellas. El barril de la vía está hecho de cobre y chapado para proporcionar una buena conductividad eléctrica. También se utilizan otros materiales, como el oro o el níquel.
● Almohadilla: La almohadilla es la superficie circular, plana o rectangular ubicada en las capas superior e inferior de la placa que ofrece un punto de conexión para componentes o pistas. Es más grande que el cuerpo para una conexión estable con las pistas o componentes. Está hecha de cobre y puede recubrirse para aumentar la soldabilidad. La almohadilla proporciona una conexión mecánica y eléctrica entre el cuerpo y la pista o componente.
● Antipad: Un antipad es el área de separación o anillo anular que rodea el pad de vía en la misma capa. Es un área no conductora que evita conexiones eléctricas accidentales o cortocircuitos entre el pad y las pistas o componentes adyacentes. Son esenciales para mantener el aislamiento y evitar conexiones eléctricas no deseadas. Los antipads se crean con máscaras de soldadura, pero también se pueden utilizar otros materiales, como epoxi o serigrafía.
Tipos de vías de PCB y sus usos
Vías pasantes
Este tipo de vías es muy común. Estas vías establecen conexiones entre todas las capas de la placa, de arriba a abajo. Se suelen usar para el montaje de componentes y la conexión de pistas en las capas de la placa.
Aplicaciones:
● Enrutamiento de señales: Este tipo de vías enruta señales entre diferentes capas de la placa.
● Ruta de escape: También conecta la distribución de pines de los componentes de montaje superficial a las capas internas de la placa.
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Enrutamiento de energía: Este tipo de vía también dirige corrientes de energía y tierra entre diferentes capas de la placa.
Vias enterradas
Estas vías solo conectan la capa interna de las placas. Están confinadas dentro de la placa. Las vías enterradas se utilizan para placas de alta frecuencia, ya que requieren una calidad de señal precisa.
Aplicaciones:
● PCB de alta densidad: Las vías enterradas se utilizan en PCB de alta densidad para conectar capas internas y mantener las capas superficiales libres para la colocación de componentes.
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Integridad de la señal: Pueden mejorar la integridad de la señal reduciendo la longitud de la trayectoria de la señal y las interferencias.
Vias ciegas
Este tipo de vías conecta únicamente las capas internas de una placa. Comienzan en la capa superior o inferior de la placa, pero no la atraviesan por completo. Estas vías se utilizan para placas de alta densidad con espacio limitado.
Aplicaciones:
● Conexión de componentes de montaje superficial a las capas internas de la placa: Estas vías se utilizan para conectar el pinout de los componentes de montaje superficial al interior de la placa sin pasar por la capa superior o inferior.
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Enrutamiento de PCB de alta densidad: Esta ruta envía señales entre diferentes capas de una placa de alta densidad sin suficiente espacio para orificios pasantes.
Microvías
Son vías muy pequeñas, con diámetros iguales o inferiores a 0.006 pulgadas. Estas vías se utilizan para placas de alta densidad con componentes de paso fino.
Aplicaciones:
● Miniaturización: Las microvías son pequeñas vías con diámetros inferiores a 0.15 mm (150 micras). Se utilizan en placas con alta densidad de usuarios y permiten la miniaturización de dispositivos electrónicos.
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Aplicaciones de alta frecuencia: Son esenciales en diseños de placas de alta frecuencia y alta velocidad, como teléfonos inteligentes y dispositivos informáticos de alto rendimiento.
Microvías apiladas
Son dos o más microvías configuradas una sobre la otra. Estas vías conectan las capas internas de una placa sin necesidad de perforar la capa superior o inferior.
Microvías escalonadas
Estas vías están desplazadas entre sí. La calidad de la señal mejora y la EMI se reduce mediante el uso de microvías escalonadas.
Vias termales
Estas vías son útiles para la disipación de calor de los componentes a la placa. Suelen ser más extensas que otros tipos y suelen estar rellenas de un material termoconductor.
Aplicaciones:
● Disipación de calor: Están diseñados para transferir calor desde los componentes que generan calor en una placa, como amplificadores de potencia, procesadores o LED.
Mejora del rendimiento térmico: Son esenciales para garantizar la refrigeración eficaz de los componentes, lo que es adecuado para la fiabilidad y el rendimiento de los dispositivos electrónicos.
Vías de PCB: ¿Qué es Vía en Pad?
Via-in-pad (VIP) es un método de diseño de placas PCB que se configura directamente debajo del pad del componente de montaje superficial. Es útil para la conexión eléctrica directa entre los componentes y las capas internas de la placa PCB, lo que puede mejorar la calidad de la señal y el funcionamiento térmico. Esta tecnología también se emplea para minimizar el tamaño de la placa, ya que reduce el enrutamiento de pistas alrededor de los pads de los componentes.
VIP también se utiliza para tableros de alta densidad con componentes de paso fino, como matrices de rejilla de bolas.
Ventajas:
● Tamaño reducido de la placa PCB
● Calidad de señal mejorada
● Disminuye la inductancia y capacitancia parásitas
● Rendimiento térmico mejorado
● Aumenta la densidad de enrutamiento
Desventajas:
● Mayor complejidad de fabricación
● Estrés térmico potencial en los componentes
● Costoso
Aplicaciones:
● Tableros de alta densidad con componentes de paso fino
● Placa de alta frecuencia
● PCB de electrónica de potencia
● PCB de RF y microondas
● PCB militares y aeroespaciales
● Placas PCB para automoción
● PCB médico
Consideraciones de diseño para Via-in-Pad
● El diámetro de la vía debe tener el tamaño suficiente para manejar la corriente requerida y minimizar el sobrecalentamiento.
● La ubicación de la vía debe ser el punto medio del pad del componente para garantizar una buena conexión eléctrica.
● Se debe utilizar epoxi no conductor en la vía para evitar cortocircuitos y aumentar la resistencia mecánica de la almohadilla.
● La almohadilla del componente debe tener el tamaño suficiente para acomodar la vía sin afectar la cobertura de la máscara de soldadura.
Proceso de recubrimiento por vía para PCB
¿Por qué cubrir las vías de PCB?
● Prevención de la contaminación: Las vías descubiertas tienen una alta probabilidad de estar contaminadas por humedad, polvo y otros parámetros ambientales, lo que puede causar corrosión, cortocircuitos eléctricos o disminución del rendimiento.
● Mejorando la soldabilidad: Las vías cubiertas proporcionan buena soldabilidad, lo que simplifica el ensamblaje de componentes en la placa durante la producción. Gracias a su preciso recubrimiento, las vías están siempre cubiertas de soldadura.
● Mejora de la integridad de la señal: Al cubrir las vías, los diseñadores e ingenieros pueden controlar su constante dieléctrica, lo que afecta la calidad de la señal. Esto mantiene la calidad de las señales de alta frecuencia que fluyen en la placa.
● Cómo evitar los puentes de soldadura: Sin cobertura de vías, la soldadura puede formar puentes entre vías o pistas adyacentes durante la soldadura, causando cortocircuitos. Mediante el uso de cobertura, podemos reducir este problema.
Métodos de cubrimiento de vías
Hay tres métodos principales de cobertura de vías:
Vía Tenting
Es la técnica más sencilla y común, donde una capa de máscara de soldadura cubre la vía. Esto evita que la pasta de soldadura fluya hacia la vía, lo que podría provocar un cortocircuito. Se utiliza para vías con un diámetro inferior a 0.3 mm.
Vía conexión
Este proceso rellena parcialmente la vía con un material no conductor, como epoxi o resina. Se utiliza principalmente para vías de más de 0.3 mm de diámetro o que se encuentran en zonas con alto riesgo de puentes de soldadura.
Vía Relleno
Consiste en rellenar la vía con un material no conductor. Es costoso, pero ofrece la mejor protección contra puentes de soldadura y otras condiciones ambientales. También se utiliza para vías en componentes críticos de la placa, como circuitos de alimentación y rutas de señales de alta velocidad.
A continuación se muestra una comparación de los tres métodos:
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Método
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Ventajas
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Desventajas
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A través de tiendas de campaña
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Sencillo y económico
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No es tan eficaz como otros métodos para evitar la formación de puentes de soldadura.
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A través de enchufar
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Más eficaz para prevenir los puentes de soldadura que mediante la formación de carpas.
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Más caro que acampar
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Vía llenado
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Es eficaz para prevenir la formación de puentes de soldadura y la contaminación ambiental.
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Proceso costoso
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¿Cómo pueden las vías de PCB afectar el diseño de PCB?
Las placas de circuito impreso (PCB) se utilizan comúnmente en dispositivos electrónicos, orquestando la compleja interacción de electrones que impulsa el mundo moderno. En el diseño de placas, un componente crucial, a menudo pasado por alto, son las vías. Estos pequeños conductos son cruciales para determinar la funcionalidad, el rendimiento y la viabilidad de fabricación de una PCB. En este análisis, analizamos el profundo efecto que las vías de las PCB tienen en el diseño, revelando cómo su ubicación y uso pueden influir en la eficiencia y la eficacia de los dispositivos electrónicos. A continuación, se presentan algunos puntos que definen el efecto de las vías de las PCB en el diseño.
Integridad de la señal
Las vías de PCB son esenciales para el mantenimiento de la calidad de la señal. Diseñadas y configuradas con precisión, ayudan a controlar la impedancia y las reflexiones de la señal. La adaptación de impedancia es necesaria para señales digitales de alta velocidad y proyectos de RF. Si se colocan correctamente, se solucionan los problemas de las vías y sus efectos en la calidad de la señal, que pueden causar degradación de la señal, fluctuación de fase y disminución de la velocidad de transmisión de datos.
Densidad del tablero
La correcta colocación de las vías puede afectar significativamente la densidad total de la placa. Durante el diseño de placas de alta densidad o dispositivos miniaturizados, se pueden emplear vías para enrutar pistas entre diferentes capas, optimizando así la superficie. El uso de vías ciegas o enterradas proporciona diseños aún más densos, lo que permite obtener placas compactas y de tamaño reducido.
Transferencia térmica
Las vías pueden ayudar a la gestión térmica de la placa. Al colocarlas con precisión cerca de los componentes que generan calor, los ingenieros pueden aumentar la disipación térmica, evitar el sobrecalentamiento y garantizar la durabilidad de los componentes electrónicos.
Recuento de capas
Las vías pueden afectar el número de capas necesarias para el diseño de la placa. Las vías de orificio pasante son muy comunes y conectan todas las capas de una placa multicapa.
Sin embargo, las vías ciegas y enterradas también pueden reducir el número de capas, reducir los gastos de producción y hacer que el diseño de la placa sea rentable.
Complejidad de manufactura
Los tipos de vías también influyen en la fabricación y el ensamblaje de placas PCB. Las vías pasantes son fáciles de fabricar y más económicas. Las vías ciegas y enterradas añadieron complejidad a las técnicas de fabricación debido a los procesos adicionales de taladrado y recubrimiento.
Consideraciones sobre EMI y EMC
Las vías pueden afectar la interferencia electromagnética y la compatibilidad del diseño de una placa. Una ubicación o diseño incorrectos de las vías pueden causar efectos de antena no deseados, lo que resulta en problemas de EMI. Es necesario considerar con precisión las estrategias de creación de vías y conexión a tierra para cumplir con los parámetros de EMI y EMC.
Flexibilidad de enrutamiento
Vias ofrece flexibilidad de enrutamiento, ya que ayuda a los diseñadores a interconectar diferentes capas. Esta flexibilidad es esencial en diseños de placas complejos donde las rutas de señal deben sortear obstáculos o seguir parámetros de diseño específicos.
Consideraciones importantes sobre las vías de PCB
A continuación se presentan algunas de las consideraciones esenciales sobre las vías de la placa PCB:
Vía tipo
Se utilizan tres tipos principales de vías para PCB: vías de orificio pasante, vías enterradas y vías ciegas. Las vías de orificio pasante conectan todas las capas de la placa, mientras que las otras dos conectan solo las capas internas. El tipo de vía utilizado dependerá de la aplicación y las técnicas de fabricación.
A través del tamaño
Se define por la capacidad de conducción de corriente y la calidad de señal requerida. Las vías deben tener el tamaño suficiente para conducir la corriente requerida sin causar sobrecalentamiento. Además, deben ser lo suficientemente pequeñas como para evitar la inductancia y la capacitancia parásitas excesivas del circuito.
A través de la colocación
Al colocar las vías, se deben considerar los problemas de calidad de la señal y de temperatura. Las vías no deben interponerse en la trayectoria de señales de alta velocidad ni cerca de componentes sensibles al calor.
Vía Densidad
La densidad de vías en una placa puede afectar la viabilidad de fabricación y su coste. Los diseñadores deben reducir el uso de vías siempre que sea posible.
Vía Manufactura
Las diferentes técnicas de fabricación de placas presentan distintas características de perforación y recubrimiento de las vías. Los diseñadores deben colaborar con el fabricante de la placa para garantizar que las vías de su diseño se realicen correctamente.
Cómo crear una vía en PCB
Aquí hay un detalle paso a paso sobre cómo hacer una vía en una placa:
Paso uno: Abra el software de diseño de PCB
En primer lugar, abra su software de diseño de placas PCB preferido. Altium Designer, OrCAD, Eagle, KiCad y otras son las herramientas más utilizadas. Cree un nuevo proyecto de placa PCB o abra uno existente si añade vías a un diseño ya creado.
Paso dos: seleccione la herramienta Vía
En el software de diseño de PCB, debe haber una herramienta u opción específica para crear vías. Generalmente, se encuentra en la barra de herramientas o el menú relacionado con el enrutamiento o el diseño de la placa. Busque un icono como una vía o un agujero.
Paso tres: Colocar la vía
Presione la herramienta de vía para activarla. Después, coloque la vía en la placa de circuito impreso presionando en la ubicación deseada. El software de diseño de placas ayuda principalmente a especificar las coordenadas precisas donde debe colocar la vía.
Paso cuatro: definir mediante propiedades
Tras colocar la vía, es necesario definir sus propiedades. A continuación, se explican las principales:
● Vía Tipo: Confirme qué tipos de vías necesita según las necesidades de su proyecto.
● Vía tamaño: Define el valor del diámetro de la vía. Según la configuración del software, puede definirse en milésimas de pulgada o milímetros.
● A través del tamaño del taladro: También se define el diámetro de perforación para las vías pasantes. Las vías enterradas y ciegas pueden tener diferentes tamaños de perforación para las distintas capas.
● A través de capas: Se debe confirmar qué capas conecta la vía. En el caso de un orificio pasante, normalmente todas las capas están conectadas. Para otras vías, como las ciegas y las enterradas, se deben especificar las capas externas e internas relacionadas.
● Anillo anular: Defina el ancho del anillo anular y la almohadilla de cobre alrededor de la vía. Esto es esencial para garantizar una soldadura precisa y una buena conectividad eléctrica.
● Liquidación: Establezca el espacio libre alrededor de la vía para especificar la distancia entre la vía y otros componentes de la placa, como trazas y componentes.
Paso cinco: Coloque las vías según sea necesario
Repita el proceso para crear más vías para el diseño de su proyecto. Según el software utilizado, puede copiar y pegar vías o usar las funciones de duplicado para ahorrar tiempo.
Paso seis: Enruta los rastros hacia las vías
Puede usar las herramientas de enrutamiento del software de diseño de PCB para conectar componentes y trazarlos con vías. Dirija las pistas desde los cables del componente u otros componentes de la placa hasta la vía. Asegúrese de seguir las directrices de diseño sobre el ancho y el espaciado de las pistas para mantener la calidad de la señal y la viabilidad de fabricación.
Paso siete: comprobar las reglas de diseño
Antes de finalizar el diseño de la placa PCB, realice comprobaciones de las reglas de diseño (DRC) para confirmar que las vías cumplen con los requisitos de fabricación y diseño eléctrico. La DRC detectará cualquier problema, como vías sin conectar, infracciones de espacio libre y otros posibles problemas.
Paso ocho: Finalizar el diseño
Después de completar el diseño, verificar las conexiones y resolver cualquier error en las reglas de diseño guardará nuestro proyecto de diseño de PCB.
Paso nueve: Generar archivos Gerber
Para fabricar la placa, se necesita un software de diseño de placas con archivos Gerber. Estos archivos contienen los datos necesarios para el proceso de fabricación, como la ubicación y el tamaño de las placas.
Consejos de diseño de PCB para vías
● Utilice el tipo de vías correcto para la aplicación. Como se mencionó anteriormente, cada tipo de vía tiene ventajas y limitaciones. Por ejemplo, las vías de orificio pasante se construyen fácilmente, pero causan inductancia y capacitancia parásitas en el circuito.
Las vías ciegas y enterradas requieren un proceso de fabricación complejo, pero pueden mejorar la calidad de la señal. Las microvías también presentan un reto, pero pueden emplearse para fabricar placas de alta densidad.
● Utilice el tamaño de vía preciso para la capacidad de transporte de corriente y la señal de la señal. El tamaño de las vías debe ser suficiente para manejar la corriente requerida sin problemas. Deben ser pequeñas para evitar añadir inductancia y capacitancia parásitas excesivas al circuito de la placa.
● Corrija mediante el uso del tamaño de la almohadilla el tamaño de la broca y el ancho del anillo anular necesario. Los anillos anulares rodean la vía. Su ancho debe ser de al menos 0.25 mm para minimizar la rotura de la broca y garantizar una buena conexión eléctrica.
● Coloque las vías con cuidado para evitar problemas de integridad de la señal y problemas térmicos. Las vías no deben ubicarse en el camino de señales de alta velocidad o cerca de componentes sensibles al calor.
● No coloque vías en el medio de almohadillas grandes. Puede provocar que las almohadillas se levanten durante el proceso de montaje.
● Las vías pueden conectar ambos lados de un componente para lograr un buen rendimiento eléctrico.
● Los vais chapados se pueden utilizar para aplicaciones de alta corriente.
● Para conectar el avión a la alimentación o a tierra, utilice vías de conexión. Esto ayuda a reducir el ruido y la interferencia electromagnética (EMI).
Diseño de PCB con vías en Pcbasic
PCBasic es un fabricante de ensamblajes de PCB, proveedor de ensamblajes de PCB SMT, empresa de diseño de placas PCB y proveedor de PCBA en Shenzhen. Ofrece servicios de diseño y fabricación de PCB en línea y servicios integrales de ensamblaje de PCB. Disponemos de diferentes reglas de diseño para vías. Si está interesado, contáctenos.
