Guía Cómo evitar las costumbres Diseño de vías en placas de circuito impreso Errores
En el diseño de placas de circuito impreso multicapa, las vías son estructuras fundamentales que conectan las diferentes capas del circuito, y su diseño influye directamente en el rendimiento del circuito, los costes de producción y la fiabilidad. Además, las vías son estructuras clave que conectan las pistas conductoras entre las diferentes capas en circuitos impresos multicapa, y la calidad de su diseño influye directamente en el rendimiento eléctrico, la resistencia mecánica y la facilidad de fabricación del circuito. Lo que puede parecer un simple “agujero” implica, en realidad, múltiples consideraciones, entre ellas la compatibilidad de los procesos y la integridad de la señal. Diseñar adecuadamente los parámetros de las vías (como los anillos de soldadura y la abertura) es fundamental para evitar fallos posteriores en la producción y averías en el circuito.
Según las estadísticas de Geyuan Electronics ‘Según nuestro equipo de ingeniería, los costes de perforación representan entre el 30% y el 40% del coste de fabricación de las placas de circuito impreso multicapa. Por lo tanto, encontrar el equilibrio entre rendimiento y coste en diseños de alta velocidad y alta densidad se ha convertido en un reto importante para los ingenieros. Este artículo, redactado por nuestro equipo de ingeniería, combina los estándares del sector y la experiencia práctica para explicar los puntos clave del diseño de vías en proyectos de placas de circuito impreso multicapa a medida, ayudándole a evitar los errores más comunes.
Funciones básicas y características fundamentales de las vías en placas de circuito impreso multicapa personalizadas
En diseño de placas de circuito impreso (PCB), la función principal de las vías es establecer conexiones eléctricas entre las diferentes capas conductoras de una placa de circuito impreso (PCB) multicapa, al tiempo que proporcionan cierta sujeción mecánica (por ejemplo, ayudando a fijar componentes pesados). Estructuralmente, una vía consta de tres partes: un orificio perforado, una barrera metalizada y un anillo anular. Las vías, que son esencialmente una “línea de transmisión vertical”, introducen inductancia parásita (normalmente de 0,5 a 2 nH) y capacitancia parásita (de 0,1 a 0,5 pF) en la transmisión de señales de alta frecuencia, y estos parámetros aumentan con el tamaño de la vía. Por lo tanto, el diseño de las vías debe lograr un equilibrio entre la “fiabilidad de la conexión”, la “integridad de la señal” y la “viabilidad del proceso”, garantizando la calidad del taladrado y del recubrimiento, al tiempo que se minimiza el impacto en las señales de alta velocidad.
La importancia del diseño de vías en Circuitos impresos multicapa
1. Si el circuito es muy sencillo, es posible que no se necesiten vías, pero se considera que son necesarias a la hora de diseñar una placa de circuito impreso multicapa.
2. En el caso de las placas multicapa, las vías pueden aumentar la densidad de los componentes.
3. A medida que aumente el número de placas de circuito impreso multicapa, la densidad de las pistas será cada vez mayor. Las vías pueden conectar entre sí diferentes pistas situadas en distintas capas de la placa de circuito impreso, y actúan como componentes de conexión verticales.
4. Sin vías, es fácil quedarse atascado en el proceso de trazado, y los componentes de los BGA, los conectores e incluso las placas de circuito impreso multicapa quedarán muy apretados.
5. Las vías facilitan la transmisión de señales y energía entre capas. Sin vías, todos los componentes se encuentran en un mismo plano y hay componentes de montaje superficial. Sin embargo, los componentes de montaje superficial en placas de circuito impreso multicapa no pueden colocarse en un único plano.
Geyuan Electronics’ la experiencia del equipo de ingeniería en el diseño de vías en placas de circuito impreso multicapa
El diseño de las vías es un aspecto crucial de la ingeniería de placas de circuito impreso multicapa, en la que un solo cambio puede tener consecuencias de gran alcance. Mediante la selección adecuada de las dimensiones, la estandarización de los espaciados y la optimización de las estrategias de orificios de ventilación, es posible cumplir con los requisitos de las señales de alta velocidad y, al mismo tiempo, controlar los costes. Y lo que es más importante, una estrecha comunicación con el Fabricante de placas de circuito impreso ‘El conocimiento que tiene el equipo de ingeniería de los detalles del proceso es esencial para plasmar las especificaciones de diseño en productos fiables y destacar en un mercado altamente competitivo. A continuación se incluyen algunos resúmenes de la experiencia en el diseño de vías de placas de circuito impreso (PCB) del equipo de ingeniería de Geyuan Electronics, acumulada tras el diseño de más de 10 000 proyectos de PCB multicapa para clientes, a modo de referencia.
Talla de la vía no es necesariamente mejor cuanto más pequeño es; Debe sopesarse con las limitaciones del proceso.
Las vías están formadas por orificios de taladrado y las zonas circundantes. La elección de las dimensiones debe seguir estos principios:
| Especificaciones de diámetro interior y exterior | El diámetro interior del orificio pasante es ≥0,2 mm (8 mil), y el diámetro exterior es ≥0,4 mm (16 mil); en casos extremos, el diámetro exterior puede reducirse a 0,35 mm (14 mil). |
| Fórmula empírica | El diámetro exterior suele ser el doble del diámetro interior, con una tolerancia de ± 2 mil. Por ejemplo, un diámetro interior de 8 mil corresponde a un diámetro exterior de 14/16/18 mil. |
| Limitaciones del proceso | Un diámetro de orificio demasiado pequeño aumenta el riesgo de desviación durante la perforación, y cuando la profundidad del orificio supera 6 veces su diámetro, resulta difícil garantizar la uniformidad de la galvanoplastia. |
| Sugerencias de diseño | En los circuitos de alta velocidad, se prefieren las vías más pequeñas para reducir la capacitancia parásita, pero es necesario confirmar las capacidades del proceso con el fabricante de la placa de circuito impreso para evitar buscar a ciegas dimensiones extremas. Un diámetro de vía demasiado pequeño aumenta el riesgo de desalineación durante el taladrado, y cuando la profundidad de la vía supera seis veces su diámetro, resulta difícil garantizar la uniformidad del recubrimiento. |
Diseño de alto nivel Debe utilizarse con precaución al tapar agujeros ciegos a controlar los costes
En el caso de los paquetes BGA (paso entre pines ≥ 0,65 mm), no se recomienda el uso de vías ciegas enterradas debido a su elevado coste. Si es necesario utilizarlas, se recomiendan las vías ciegas de primer orden (como TOP-L2 o BOTTOM-L2), con un diámetro interior de 0,1 mm (4 mil) y un diámetro exterior de 0,25 mm (10 mil). Aunque las vías ciegas de orden superior pueden aumentar la densidad de cableado, la dificultad de fabricación y el coste aumentan exponencialmente.
Vías y almohadillas debería evitar el riesgo de que se produzca un «tombstoning»
Aunque colocar las vías directamente sobre las almohadillas puede reducir la inductancia de los conductores, también puede provocar que la pasta de soldadura fluya hacia el interior de las vías, lo que da lugar a la formación de «tumbas» de soldadura. .
| Distancia de seguridad | Se recomienda mantener una distancia de entre 4 y 8 mil entre las vías y los bordes de las almohadillas. |
| Área del BGA | La vía debe estar centrada entre las dos pastillas para evitar una desalineación que pudiera provocar puentes de soldadura y cortocircuitos. Una vez finalizado el proceso, las vías deben taparse y recubrirse con pasta de soldadura para garantizar que las bolas de soldadura del BGA queden planas. |
La distancia entre las vías El diseño debería evitar mediante la rotura y garantizar la fiabilidad
Una distancia demasiado pequeña entre las vías puede provocar fácilmente un fallo en el taladrado. Las especificaciones exigen:
| Distancia mínima | ≥0,5 mm (recomendado); debe evitarse a toda costa el rango de 0,35 a 0,4 mm, y está prohibido el valor ≤0,3 mm. . |
| Zonas de alta densidad | Mediante la disposición escalonada o el ajuste de la abertura, se puede optimizar el aprovechamiento del espacio. |
Aceite para desatascar orificios es clave para mejorar el rendimiento de la soldadura
En el caso de orificios pasantes de diámetro pequeño (≤0,5 mm) y en situaciones especiales, es necesario taponarlos y sellarlos con aceite:
| Dispositivos con carcasa metálica | Es necesario tapar los orificios de la parte inferior del cuerpo principal para evitar cortocircuitos con la carcasa exterior. |
| Excepto los orificios de disipación de calor | Se pueden dejar aberturas para mejorar la disipación del calor. . |
Almohadillas fijas puede se puede optimizar de forma inteligente mediante el uso de vías para mejorar la fiabilidad
Las almohadillas de los conectores de auriculares, botones, placas flexibles (FPC), etc., son susceptibles de sufrir tensiones mecánicas. Durante el proceso de diseño, se pueden añadir entre una y dos vías de forma uniforme para aumentar la adherencia de la lámina de cobre y evitar que las almohadillas se desprendan.
Diseño de la rejilla de ventilación requiere una estrategia beneficiosa para todas las partes que concilia la integridad de la señal y el coste
| orificios de ventilación de los dispositivos de chip convencionales | Se recomienda colocar las vías en el exterior del dispositivo, de modo que las pistas de las capas internas puedan pasar entre ambas vías, evitando así cortar el plano de referencia. Las prácticas incorrectas aumentarán la complejidad del trazado y comprometerán la integridad del plano. |
| Orificios de ventilación del BGA | Las vías deben estar perfectamente centradas sobre las almohadillas; no deben estar desplazadas ni situadas directamente sobre ellas. Las vías situadas en las almohadillas tienden a provocar juntas de soldadura frías y pueden cortar el plano de alimentación o de tierra, lo que da lugar a problemas de integridad de la señal. |
Aspectos a tener en cuenta en el diseño de vías en circuitos impresos multicapa y normas para seleccionar anillos de soldadura y los diámetros de los orificios
Los anillos de soldadura y los diámetros de los vías son parámetros fundamentales en el diseño de las vías y deben determinarse en función del grosor de la placa de circuito impreso, el grosor de la lámina de cobre y el proceso de fabricación. Recomendamos optar por valores estándar para los anillos de soldadura y los diámetros de las vías (por ejemplo, 0,7 mm + 0,3 mm). No obstante, ten en cuenta las siguientes consideraciones de diseño.
Diámetro de la broca
El diámetro del pozo, también conocido como diámetro interior del pozo, determina la conductividad y los parámetros parásitos del pozo.
| Selección estándar | En el caso de las placas de circuito impreso estándar (de 1,6 mm de grosor), el diámetro mínimo recomendado para los orificios es de 0,3 mm (el límite para el taladrado mecánico suele ser de 0,2 mm, mientras que el taladrado por láser puede alcanzar tan solo 0,1 mm), y los diámetros de orificio más habituales oscilan entre 0,4 mm y 0,6 mm. Por ejemplo, las vías de señal pueden tener un diámetro de 0,4 mm, mientras que las vías de alimentación (para una alta capacidad de conducción de corriente) pueden tener un diámetro de entre 0,6 mm y 1,0 mm. |
| Espesor de la placa correspondiente | La relación entre el diámetro de la abertura y el grosor de la placa debe ser ≤1:10 (por ejemplo, para un grosor de placa de 1,6 mm, el diámetro máximo de la abertura es de 0,16 mm). Si se supera esta relación, se producirá un recubrimiento irregular en las paredes de los orificios (diferencia de espesor >20%), lo que afectará a la fiabilidad de la conductividad. Si el espesor de la placa alcanza los 2,0 mm, se recomienda que la abertura sea ≥0,3 mm. |
Anillo anular
Un anillo de soldadura es un anillo de lámina de cobre que rodea una vía y que se utiliza para mejorar la conexión entre la vía y la lámina de cobre de la misma capa. Su anchura (anchura del anillo de soldadura = (diámetro de la almohadilla – diámetro de la vía) / 2) debe cumplir los siguientes requisitos:
| Ancho mínimo del anillo de soldadura | El proceso estándar requiere un diámetro de almohadilla de ≥0,15 mm (es decir, diámetro de la almohadilla = diámetro del orificio + 0,3 mm). Por ejemplo, cuando el diámetro del orificio es de 0,4 mm, el diámetro de la pastilla debe ser ≥ 0,7 mm (0,7 - 0,4 = 0,3 mm, y el anillo de soldadura de una sola cara mide 0,15 mm). |
| Optimización de señales de alta velocidad | En el caso de las señales de alta frecuencia (≥1 GHz), el diámetro del anillo de la vía puede reducirse a 0,1 mm (aunque es necesario confirmar las capacidades del proceso con el fabricante) para reducir la capacitancia parásita. |
| El poder a través del refuerzo | La anchura del anillo de soldadura para las vías de alta intensidad puede aumentarse hasta más de 0,2 mm, lo que mejora la resistencia de la conexión con la lámina de cobre y evita el sobrecalentamiento provocado por la concentración de corriente. |
Ejemplo típico de combinación en el diseño de vías de placas de circuito impreso multicapa en Geyuan Electronics
| Señal a través de | Con una abertura de 0,4 mm y un diámetro de almohadilla de 0,7 mm (anillo de soldadura de 0,15 mm), es adecuado para la mayoría de las señales digitales y las señales analógicas de baja frecuencia. |
| Alimentación a través de | Apertura de 0,6 mm + diámetro de la almohadilla de 1,0 mm (anillo de soldadura de 0,2 mm) para permitir una transmisión de corriente de 1 A a 3 A (cuando el espesor del cobre es de 1 oz = 35 μm). |
| Zonas de alta densidad | Con un diámetro de orificio de 0,3 mm y un diámetro de almohadilla de 0,6 mm (anillo de soldadura de 0,15 mm), es adecuado para zonas con limitaciones de espacio, como la parte inferior de un BGA. |
En el diseño de vías para placas de circuito impreso multicapa, los tipos especiales de orificios requieren prestar atención a la relación de aspecto de las ranuras y al problema de la formación de orificios múltiples.
Además de las vías circulares, en determinados casos se requieren orificios alargados, cuyo diseño requiere una atención especial:
Orificio ranurado
Las ranuras son rectangulares u ovaladas y se utilizan para conectar clavijas de forma irregular (como las clavijas DIP de los conectores) o para la transmisión de alta corriente.
| Limitación de la relación de aspecto | La relación entre la longitud y la anchura de la ranura debe ser ≤5:1 (por ejemplo, si la anchura es de 0,5 mm, la longitud máxima es de 2,5 mm). Si se supera esta relación, la herramienta puede desviarse fácilmente durante el taladrado, lo que daría lugar a una pared del orificio irregular. |
| Requisitos de recubrimiento | Las esquinas de las ranuras deben estar redondeadas (radio ≥ 0,2 mm) para evitar la concentración de tensiones en el recubrimiento en ángulo recto, lo que podría provocar la aparición de grietas; el espesor del recubrimiento en la pared del orificio debe ser ≥ 20 μm para garantizar la fiabilidad con corrientes elevadas. |
Prevención de fugas por el respiradero
El «pitting» se refiere a la separación del recubrimiento de la pared del orificio respecto al anillo de soldadura durante la soldadura o en entornos con altas temperaturas. Análisis de las causas y soluciones:
| razón | medida |
| Un ancho insuficiente del anillo de soldadura (<0,1 mm) provoca tensiones térmicas y desprendimientos a altas temperaturas; | La anchura del anillo de soldadura es ≥0,15 mm para garantizar la resistencia de la unión mecánica; |
| Los poros o las burbujas en el recubrimiento de la pared del orificio pueden provocar que se filtre fundente y que se produzca una expansión durante la soldadura. | Los fabricantes están obligados a utilizar un proceso de “galvanizado con cobre ácido” (que es más uniforme que el galvanizado con cobre alcalino) y a realizar una prueba de adherencia del recubrimiento (resistencia al desprendimiento ≥ 0,5 N/mm). |
Recomendaciones de diseño relativas a los efectos de impedancia y a la densidad de vías en el diseño de placas de circuito impreso multicapa
El diseño de las conexiones debe encontrar un equilibrio entre la integridad de la señal y la racionalidad del trazado:
Influencia y optimización de la impedancia
| Señal de alta frecuencia a través de | Cada vía adicional reducirá la impedancia del par diferencial entre 2 y 5 Ω (por ejemplo, un par diferencial de 100 Ω puede bajar a 95 Ω), lo que requerirá una compensación durante el trazado mediante el ajuste preciso del ancho de la pista (por ejemplo, aumentando el ancho de la pista en 0,02 mm). |
| Reducir el número de vías | Las señales de alta velocidad (como PCIe 4.0) deben evitar cruzar capas. Si es necesario que crucen capas, el número de vías debe ser ≤2, y la distancia entre ambas vías debe ser ≥5 mm (para reducir el acoplamiento mutuo). |
| Puesta a tierra a través del sistema de sonido envolvente | Coloca entre 2 y 4 vías de conexión a tierra alrededor de la vía de señal de alta velocidad (a una distancia de al menos tres veces el diámetro de la vía) para formar un “anillo de blindaje” y reducir la radiación y la diafonía. |
Control de la densidad de disposición
| Espaciado entre vías | La distancia entre los centros de las vías adyacentes debe ser ≥ 2 veces el diámetro del orificio (por ejemplo, para una vía de 0,4 mm, la distancia debe ser ≥ 0,8 mm) para evitar el desplazamiento de los orificios o la conexión entre las paredes de los mismos (riesgo de cortocircuito) provocados por la vibración durante el taladrado. |
| Vías del área BGA | Las vías situadas debajo de las uniones de soldadura del BGA deben estar desplazadas con respecto a las posiciones de dichas uniones y a una distancia mínima de 0,3 mm del borde de la unión de soldadura, para evitar que la soldadura fluya hacia las vías durante el proceso de soldadura (lo que provocaría uniones de soldadura frías). |
Otras precauciones
| Compatible con soldaduras sin plomo | El recubrimiento de los orificios pasantes debe contener plomo (o una aleación sin plomo, como Sn-Ag-Cu) y tener un espesor ≥2 μm para garantizar que no se oxide ni se desprenda durante la soldadura por reflujo a 260 ℃. |
| Máscara de soldadura | Las vías sin soldadura (como las vías de señal) deben cubrirse con una máscara de soldadura para evitar la formación de puentes de soldadura; si es necesario realizar pruebas, se puede realizar una apertura parcial de la máscara de soldadura. |
Recomendaciones de validación para el diseño del proceso de vías en placas de circuito impreso multicapa
Es necesario garantizar la fiabilidad del diseño de las vías mediante la verificación del proceso:
| Inspección de DFM | Utiliza la herramienta DFM del software de diseño de placas de circuito impreso (como “Manufacturing Check” de Altium) para comprobar que los parámetros de las vías se ajustan a las capacidades del proceso del fabricante (por ejemplo, diámetro del orificio ≥ 0,3 mm, anillo de soldadura ≥ 0,15 mm). |
| Análisis de muestras | El primer diseño de placa de circuito impreso debe someterse a pruebas de fiabilidad de las vías. |
| Prueba de continuidad | La resistencia a través de la vía debe ser inferior a 0,1 Ω cuando se mide con un multímetro. |
| Ensayo de choque térmico | Tras 100 ciclos entre -40 ℃ y 125 ℃, la tasa de variación de la resistencia de las vías es ≤10%; |
| Ensayo de tracción | Se aplicó una fuerza de tracción de 5 N a la pieza de conexión durante 10 segundos y no se produjo ningún desprendimiento ni rotura. |
| Ponte en contacto con el fabricante | Antes de enviar el diseño, facilite al fabricante de placas de circuito impreso una tabla con los parámetros de las vías (diámetro del orificio, anillo de soldadura, cantidad) para confirmar la viabilidad del proceso (especialmente en el caso de requisitos especiales, como el taladrado con láser y las vías en placas de gran espesor). |
¿Por qué elegir Geyuan Electronics como socio para la fabricación de placas de circuito impreso multicapa a medida?
Geyuan Electronics es una plataforma integral de infraestructura inteligente basada en la inteligencia artificial para el sector de la electrónica. Mediante la integración de software industrial y ecosistemas de ingenieros, fabricante de equipos originales (OEM) ecosistemas de la cadena de suministro y ecosistemas de fabricación flexible, hemos creado un ecosistema de ciclo cerrado en el ámbito de la cadena de suministro de la electrónica, con el compromiso de simplificar la innovación en hardware. Desde nuestros inicios, hemos desarrollado una amplia gama de negocios, entre los que se incluye la “Solución Geyuan”, con capacidades superiores de diseño de soluciones de IoT, agentes de IA y herramientas de automatización del diseño electrónico, herramientas de análisis de diseño para la fabricabilidad, servicios integrales de adquisición de componentes electrónicos, una plataforma inteligente de I+D y fabricación de placas de circuito impreso (PCB) multicapa de alta fiabilidad, y un servicio integral de montaje SMT y PCBA plataforma de servicios de externalización. Ofrecemos a nuestros clientes soluciones inteligentes integrales que conectan el diseño, la producción, el aprovisionamiento y la entrega, transformando el modelo tradicional de la industria electrónica —caracterizado por la fragmentación y la asimetría de la información—, mejorando la eficiencia de toda la cadena, desde el diseño hasta la producción en serie, y creando valor a partir de las ideas creativas de los usuarios.
Resumir
El diseño de las vías es el “pilar invisible” de la fiabilidad de las placas de circuito impreso. La selección de sus parámetros debe seguir el principio de “basado en el proceso y orientado al rendimiento”: Para situaciones estándar, se utiliza la combinación clásica de vía de 0,4 mm de diámetro + pad de 0,7 mm; para situaciones de alta frecuencia, se reduce el número de vías y se optimiza el anillo de soldadura; para situaciones de alta corriente, se aumentan el diámetro de la vía y la anchura del anillo de soldadura. Es fundamental recordar durante el diseño que, en el caso de las vías, no se aplica la regla de “cuanto más pequeñas, mejor” ni “cuantas más, mejor”. Por el contrario, deben cumplir los requisitos de conectividad y, al mismo tiempo, minimizar los riesgos de fabricación mediante comprobaciones de DFM y verificación de procesos. Un sistema de vías bien diseñado puede evitar eficazmente problemas como las “roturas de vías” y las “uniones de soldadura frías” durante la producción en serie, garantizando un funcionamiento estable y a largo plazo del circuito. Si tienes proyectos de PCB multicapa personalizados y necesitas encontrar proveedores asociados para el diseño y la producción en serie, ponte en contacto con nosotros para que te ayudemos.