Arquitectura interna de PCBs multicapa: Explorando el fascinante mundo del diseño de PCBs

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Cuando los ingenieros de hardware se encuentran por primera vez con PCBs de múltiples capas, es posible que se sientan un poco abrumados. Observar placas de diez u ocho capas con trazados densos e intrincados que se asemejan a telarañas puede dejar a uno sin saber por dónde empezar.

Sin embargo, en realidad, el diseño de PCBs de múltiples capas es una parte esencial e integral de los productos electrónicos modernos. La estructura interna de los PCBs de múltiples capas se puede representar mediante gráficos tridimensionales, lo que permite a las personas comprender de manera más intuitiva los diseños de las placas de circuito.

El núcleo de HDI

High-Density Interconnect (Interconexión de Alta Densidad o HDI) es un diseño fundamental para PCBs de múltiples capas, caracterizado principalmente por su tecnología de vias. El proceso de fabricación del circuito en PCBs de múltiples capas es similar al de PCBs de una o dos capas, siendo la diferencia más significativa la tecnología de vias. El circuito se graba químicamente, mientras que las vias se forman mediante perforación y recubrimiento de cobre.

Tipos de Placas de Circuito Multicapa

Las placas de circuito multicapa son componentes comunes y fundamentales en los productos electrónicos modernos. Su diseño y fabricación implican seleccionar diferentes cantidades de capas y tecnologías basadas en la complejidad y los requisitos de rendimiento de los productos. A continuación, se presentan varios tipos comunes de placas de circuito multicapa y sus aplicaciones típicas:

Placa PCB con orificios pasantes

La placa PCB con orificios pasantes es el tipo más sencillo de placa de circuito multicapa, compuesta generalmente por dos capas interconectadas a través de orificios pasantes. Este tipo de placa de circuito es adecuado para algunos productos sencillos de microcontroladores de 8 bits, ofreciendo un costo relativamente bajo. Sin embargo, debido a las posibles interferencias de señal y limitaciones de diseño causadas por las conexiones con orificios pasantes, gradualmente ha sido reemplazado por otros tipos de placas para productos con requisitos de rendimiento más altos.

Placa de Primer Orden

Una placa de Primer Orden es una placa común de 4 a 6 capas con agujeros pasantes, adecuada para hardware inteligente a nivel de microcontroladores de 32 bits. Proporciona más espacio de conexión entre capas y flexibilidad de diseño, lo que ayuda a reducir la interferencia de señales, ofrece un mejor rendimiento eléctrico y una mayor inmunidad al ruido. Al mismo tiempo, el proceso de fabricación es relativamente sencillo y el costo es más bajo, lo que la convierte en una opción preferida para muchos productos de complejidad media.

Placa de Segundo Orden

Una placa de segundo orden es un tipo de placa de circuito multicapa más avanzada, que generalmente consta de entre 6 y 8 capas. El diseño de esta placa es más complejo y es adecuado para hardware inteligente a nivel de Linux y Android. En estos productos, el diseño de las interfaces de comunicación, las señales de alta velocidad, la alimentación y las capas de tierra requiere una mayor precisión, y el uso de una placa de segundo orden permite satisfacer mejor estos requisitos.

Placa de circuito impreso con vias apiladas de segundo orden

La placa de circuito impreso con vias apiladas de segundo orden es un tipo complejo utilizado en placas de ocho capas o más. Combina las características de las placas de primer orden y de segundo orden, permitiendo colocar múltiples vias en la misma ubicación, lo que proporciona una mayor densidad de conexión y una mejor integridad de señal. Sin embargo, debido a su complejidad y dificultad de fabricación, su uso es limitado y se aplica principalmente en productos sofisticados de alta gama.

Placas de tercer orden y superiores

Las placas de tercer orden y las placas de circuito de orden superior se utilizan generalmente en aplicaciones de rendimiento extremadamente alto, como servidores, computadoras de alta gama, etc., debido a su complejidad de diseño y costos de fabricación. Estas placas ofrecen más capas de señal y planos de alimentación, lo que les permite satisfacer las demandas de transmisión de señales complejas y requisitos de gestión de energía. Debido a su alto costo, se utilizan principalmente en aplicaciones que requieren un rendimiento y confiabilidad extremadamente altos.

Los teléfonos inteligentes y otros productos compactos suelen utilizar placas de circuito de 8 capas de primer orden a 10 capas de segundo orden. Debido a la necesidad de alojar numerosas funciones y circuitos complejos en un espacio limitado, el uso de más capas y placas de circuito de mayor nivel permite una mejor integridad de señal, gestión de energía y requisitos de disipación de calor.

En general, la elección del tipo adecuado de placa de circuito multicapa depende de los requisitos de rendimiento del producto, la integridad de la señal, el rendimiento eléctrico, la complejidad del diseño y las limitaciones presupuestarias. Con el continuo avance de la tecnología, cada vez más productos adoptarán placas de circuito de niveles superiores para satisfacer las demandas funcionales y de rendimiento en constante crecimiento.

El tipo de agujero pasante más común

Solo hay un tipo de vía, que va desde la primera capa hasta la última capa. Ya sea una pista externa o interna, la vía se taladra completamente, conocida como PCB de vía pasante. El número de capas no tiene relación con los PCB de vía pasante; incluso los PCB de 2 capas comúnmente utilizados tienen vías pasantes. Muchos switches y placas de circuitos de grado militar, a pesar de tener 20 capas, todavía utilizan vías pasantes. El proceso implica taladrar el PCB con una broca y luego platear cobre dentro de los agujeros para crear conexiones eléctricas.

Es importante tener en cuenta que los diámetros de los agujeros pasantes con baño de metal suelen ser de 0.2 mm, 0.25 mm y 0.3 mm. Sin embargo, los de 0.2 mm suelen ser considerablemente más costosos que los de 0.3 mm. Esto se debe a que las brocas más delgadas tienden a romperse con mayor facilidad y el proceso de perforación lleva más tiempo. El tiempo adicional y los costos de las brocas se reflejan en el aumento del precio de las placas de circuito.

Vías láser en placas de interconexión de alta densidad (HDI)

Este diagrama representa la estructura de apilamiento de una placa HDI (Interconexión de Alta Densidad) de 6 capas y 1 orden. Las dos capas superficiales presentan dos vías láser cada una, con un diámetro interno de 0,1 mm. Las capas internas contienen vías mecánicas, formando una estructura similar a una placa de 4 capas con orificios pasantes, y se agregan 2 capas adicionales para cubrir el exterior.

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Las vías láser pueden penetrar materiales de fibra de vidrio pero no el cobre metálico. Por lo tanto, las vías en las capas exteriores no afectan al enrutamiento interno. Después del taladrado con láser, los agujeros reciben un baño de cobre, creando microvías láser.

Placa HDI de 2 capas con láser de doble capa

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La imagen de arriba muestra una placa HDI (High-Density Interconnect) de 6 capas con perforaciones escalonadas de 2 pasos. Por lo general, las placas HDI de 6 capas con perforaciones escalonadas de 2 pasos son menos comunes, y se prefiere más a menudo las placas HDI de 8 capas con perforaciones escalonadas de 2 pasos. Sin embargo, los principios son los mismos cuando se trata de placas de mayor número de capas, como en el caso de la placa HDI de 6 capas. El término «2 pasos» se refiere a la presencia de dos capas de perforaciones hechas con láser. El término «escalonadas» indica que las dos capas de perforaciones hechas con láser están desalineadas.

¿Por qué las perforaciones están escalonadas?

Esto se debe a que durante el proceso de galvanizado de cobre, las perforaciones pueden no llenarse completamente, dejando espacios vacíos en su interior. Por lo tanto, no es posible perforar directamente sobre estos espacios vacíos. En su lugar, las perforaciones deben estar escalonadas a una cierta distancia y se crea otra capa de espacios vacíos en la parte superior.

La placa de 6 capas con perforaciones escalonadas de 2 pasos significa que hay 4 capas con construcción HDI de 1 paso, y luego se agregan 2 capas adicionales en el exterior.

La placa de 8 capas con perforaciones escalonadas de 2 pasos significa que hay 6 capas con construcción HDI de 1 paso, y luego se agregan 2 capas adicionales en el exterior.

La tecnología de microvías implica procesos complejos y costos más elevados, donde dos capas de vias perforadas con láser se superponen. Esto permite lograr una disposición de circuito más compacta. Las microvías de la capa interna deben ser rellenadas mediante electrochapeado antes de crear las microvías de la capa externa. Este proceso hace que sea más costoso que las placas convencionales con orificios pasantes.

En el caso de las placas de interconexión de alta densidad (HDI) ultracaras: se utilizan múltiples capas de microvías perforadas con láser. Cada capa está compuesta por microvías creadas mediante láser, lo que brinda la flexibilidad para diseñar rutas y crear microvías según se desee.

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