La estructura de una placa de circuito impreso define la disposición de las capas de cobre, los prepregs, los núcleos y los materiales dieléctricos dentro de la placa.
Aunque a menudo se pasa por alto en las primeras fases del desarrollo, el diseño de la pila es uno de los factores más importantes que influyen en:
- Integridad de la señal
- Impedancia controlada
- Rendimiento EMI
- Distribución de energía
- Comportamiento térmico
- Fiabilidad en la fabricación
Una disposición de componentes bien diseñada ayuda a evitar costosos rediseños y mejora tanto el rendimiento eléctrico como el mecánico.
Lecturas relacionadas: Proceso de fabricación de PCB
Índice
Por qué es importante el diseño de la estructura de los PCB
Muchos problemas en las placas de circuito impreso se deben a una mala planificación de las capas, más que a un trazado deficiente.
Entre los problemas más comunes se encuentran:
- Desajuste de impedancia
- Interferencias electromagnéticas excesivas
- Diafonía
- Inestabilidad eléctrica
- Deformación de los circuitos impresos
- Debido a problemas de fiabilidad
Una disposición adecuada de las capas sienta las bases para un diseño satisfactorio de placas de circuito impreso.
Elementos principales de la estructura de una placa de circuito impreso
Capas de cobre
Las capas de cobre transportan:
- Señales
- Potencia
- Referencias terrestres
Los espesores habituales del cobre son:
| Peso del cobre | Espesor |
|---|---|
| media onza | 17 μm |
| 1 onza | 35 μm |
| 2 oz | 70 μm |
| 3 oz | 105 μm |
Un mayor peso del cobre mejora la capacidad de conducción de corriente, pero afecta a los cálculos de impedancia.
Materiales básicos
El núcleo proporciona soporte estructural.
Entre sus funciones se incluyen:
- Estabilidad mecánica
- Separación dieléctrica
- Rendimiento térmico
La elección de los materiales influye considerablemente en la calidad de la señal.
Enlace interno: Selección de materiales para placas de circuito impreso de alta frecuencia
Capas de preimpregnado
El prepreg actúa como material de unión entre los núcleos.
Durante la laminación:
- La resina se derrite
- Las capas se unen entre sí
- Se determina el espesor final del dieléctrico
Las características del preimpregnado influyen directamente en el control de la impedancia.
Planos de tierra
Los planos de tierra proporcionan:
- Caminos de corriente de retorno
- Reducción del ruido
- Supresión de interferencias electromagnéticas
Los planos de referencia continuos son esenciales para las señales de alta velocidad.
Aviones de motor
Los planos de potencia distribuyen la corriente de manera eficiente y reducen las fluctuaciones de tensión.
Las ventajas incluyen:
- Menor impedancia
- Mayor integridad de la alimentación
- Mejor distribución térmica
Estructuras habituales de apilamiento de placas de circuito impreso
Estructura de una placa de circuito impreso de 4 capas
Una forma habitual de hacerlo es:
Señal
Suelo
Potencia
SeñalVentajas:
- Rentable
- Buen control de las interferencias electromagnéticas
- Apto para numerosos productos industriales
Aplicaciones:
- Sistemas integrados
- Controles industriales
- Electrónica de consumo
Lecturas relacionadas: PCB de 4 capas
Estructura de una placa de circuito impreso de 6 capas
Configuración típica:
Señal
Suelo
Señal
Potencia
Suelo
SeñalVentajas:
- Mejor aislamiento de la señal
- Mejora del control de la impedancia
- Reducción de las interferencias electromagnéticas
Se utiliza habitualmente en:
- Equipos de comunicación
- Automatización industrial
- Productos de redes
Estructura de una placa de circuito impreso de 8 capas
Disposición típica:
Señal
Suelo
Señal
Potencia
Suelo
Señal
Suelo
SeñalVentajas:
- Excelente integridad de la señal
- Alta densidad de enrutamiento
- Reducción de la diafonía
Aplicaciones:
- Servidores
- Comunicación de alta velocidad
- Equipo médico
De 10 capas o más
Compatibilidad con un mayor número de capas:
- Enrutamiento HDI
- Procesadores complejos
- Autobuses de alta velocidad
- Integración de radiofrecuencia
Enlace interno: Proveedor de placas de circuito impreso multicapa
Diseño de apilamiento para la integridad de la señal
Mantén las capas de señal adyacentes a los planos de tierra
Esto genera:
- Rutas de retorno estables
- Menor EMI
- Impedancia controlada
Una mala colocación del plano de referencia es uno de los errores de diseño más comunes.
Reducir al mínimo el área del bucle
Los bucles de corriente más pequeños reducen:
- Radiación
- Ruido
- Susceptibilidad a las interferencias
Controlar las transiciones de capas
Cada transición de vía introduce:
- Discontinuidades
- Reflexión
- Posible deterioro de la señal
Enlace interno: Análisis de fallos en las vías de los circuitos impresos
Diseño de apilamiento para impedancia controlada
La impedancia controlada depende de:
- Ancho de la línea
- Espesor dieléctrico
- Espesor del cobre
- Material Dk
Los ingenieros deben calcular la impedancia antes de comenzar el trazado.
Entre los objetivos habituales se incluyen:
| Interfaz | Impedancia típica |
|---|---|
| USB | 90 Ω Differential |
| Ethernet | 100 Ω Differential |
| PCIe | 85 Ω Differential |
| DDR | 40–60 Ω Single Ended |
Diseño de apilamiento para la reducción de interferencias electromagnéticas
El rendimiento de la EMI mejora cuando:
Los planos de tierra siguen siendo continuos
Evita:
- Grandes diferencias
- Interrupciones en los vuelos
- Recortes innecesarios
Las señales de alta velocidad se mantienen cerca de los valores de referencia
Esto reduce al mínimo:
- Radiación
- Diafonía
- Pérdida de señal
Las capas de alimentación y tierra están correctamente acopladas
Los planos muy próximos entre sí generan capacitancia distribuida.
Las ventajas incluyen:
- Mayor integridad de la alimentación
- Menor ruido de conmutación
Diseño de apilamiento para facilitar la fabricación
El rendimiento eléctrico por sí solo no es suficiente.
Además, la estructura debe poder fabricarse.
Entre los aspectos importantes que hay que tener en cuenta se incluyen:
Estructura de capas simétrica
Los diseños equilibrados reducen:
- Deformación
- Tensión interna
- Fallos de fiabilidad
Enlace interno: Deformación de PCB y deformación por reflujo
Distribución equilibrada del cobre
Un nivel desigual de cobre puede provocar:
- Tensión de laminación
- Delaminación
- Inestabilidad dimensional
Enlace interno: Causas y prevención de la delaminación de los PCB
Espesor dieléctrico adecuado
Evite las capas dieléctricas innecesariamente finas, ya que aumentan la dificultad de fabricación.
Cómo diseñar una estructura de PCB eficaz
- Paso 1
Definición:
. Velocidad de la señal
. Número de capas
. Requisitos de alimentación - Paso 2
Selecciona los materiales adecuados teniendo en cuenta:
. Frecuencia
. Requisitos térmicos
. Objetivos de fiabilidad
Lecturas relacionadas: Selección de materiales para placas de circuito impreso de alta frecuencia - Paso 3
Asigna desde el principio los planos de tierra específicos.
- Paso 4
Determina los requisitos de impedancia antes de trazar el recorrido.
- Paso 5
Analiza la viabilidad de la fabricación con tu proveedor de placas de circuito impreso.
- Paso 6
Comprueba el rendimiento mediante herramientas de simulación.
Errores habituales en la disposición de capas de los PCB
Enrutamiento sin planificación de la pila
A menudo provoca problemas de impedancia.
Capas de base insuficientes
Resultados en:
- Problemas de EMI
- Mala integridad de la señal
Estructuras asimétricas
Aumenta el riesgo de deformación.
Cambios excesivos de capa
Crear discontinuidades innecesarias en la señal.
Ignorar las propiedades de los materiales
Puede dar lugar a un comportamiento de impedancia poco fiable.
FAQ
R: El número de capas necesario depende de la densidad de las rutas, la velocidad de la señal y los requisitos de distribución de energía.
R: La disposición de las capas afecta a la integridad de la señal, a las interferencias electromagnéticas, a la facilidad de fabricación y a la fiabilidad.
R: No. Para realizar cálculos precisos de la impedancia es necesario definir la estructura de capas.
R: Por lo general, las capas de señal deben estar adyacentes a planos de referencia continuos.
R: Antes de comenzar con el diseño de la placa de circuito impreso. Planificar la estructura de capas desde el principio evita costosos rediseños posteriores.
Conclusión
El diseño de la estructura de los circuitos impresos es una de las decisiones más importantes en el desarrollo de estos.
Una disposición de capas bien diseñada mejora:
- Integridad de la señal
- Control de impedancia
- Rendimiento EMI
- Fiabilidad
- Fabricabilidad
Al combinar principios sólidos de diseño eléctrico con aspectos relacionados con la fabricación, los ingenieros pueden crear diseños de placas de circuito impreso que funcionen de forma fiable desde la fase de prototipo hasta la producción en serie.
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