A través de las técnicas de diseño en el diseño de placas de circuito impreso
En Diseño de placas de circuito impreso, la vía de diseño es un factor crucial. Está formada por el orificio, la zona de almohadilla circundante y la zona de aislamiento de la capa POWER, y se clasifica generalmente en tres tipos: vías ciegas, vías enterradas y vías pasantes. El equipo de ingeniería de Geyuan Electronics, mediante el análisis de la capacitancia y la inductancia parásitas en las vías durante el proceso de diseño de placas de circuito impreso, ha resumido algunas consideraciones clave y técnicas de diseño relacionadas con el diseño de vías en placas de circuito impreso. En la actualidad, el diseño de placas de circuito impreso (PCB) se utiliza ampliamente en campos como las comunicaciones, la informática y el procesamiento gráfico. Todos los diseños de productos electrónicos de alta tecnología y alto valor añadido buscan un bajo consumo energético, una baja radiación electromagnética, una alta fiabilidad, la miniaturización y la ligereza. Para alcanzar estos objetivos, el diseño de las vías es un factor vital en el diseño de las PCB.
Componentes básicos y especificaciones técnicas de las vías de las placas de circuito impreso
Las vías son un elemento crucial en el diseño de placas de circuito impreso multicapa. Una vía se compone principalmente de tres partes: el propio orificio, la zona de la almohadilla que lo rodea y la zona de aislamiento de la capa de alimentación. El proceso de fabricación de las vías consiste en depositar químicamente una capa metálica sobre la superficie cilíndrica de la pared de la vía para conectar las láminas de cobre de las capas intermedias. Las superficies superior e inferior de la vía tienen la forma de unas almohadillas normales, que pueden conectarse directamente a las pistas de las superficies superior e inferior, o bien dejarse sin conectar. Las vías sirven para establecer conexiones eléctricas y para fijar o colocar componentes.
Clasificación de las vías
Las vías se clasifican generalmente en tres categorías: orificios ciegos, orificios ocultos y orificios pasantes.
| agujero ciego | Las vías ciegas se encuentran en las superficies superior e inferior de las placas de circuito impreso, tienen una profundidad determinada y se utilizan para conectar los circuitos superficiales con los circuitos internos subyacentes. Por lo general, la profundidad y el diámetro de la vía no superan una determinada relación. |
| Agujero enterrado | Las vías enterradas son orificios de conexión situados en la capa interna de una placa de circuito impreso que no llegan hasta la superficie de la placa. |
| Orificio pasante | Los orificios pasantes son orificios que atraviesan toda la placa de circuito impreso y pueden utilizarse para realizar interconexiones internas o como orificios de montaje para componentes. Dado que los orificios pasantes son más fáciles de fabricar y más económicos, se utilizan habitualmente en las placas de circuito impreso. |
Análisis del diseño de vías en placas de circuito impreso
Tanto las vías ciegas como las vías enterradas se encuentran en las capas internas de una placa de circuito impreso. Se forman mediante un proceso de moldeado de orificios pasantes antes de la laminación, y es posible que varias capas internas se superpongan durante el proceso de formación de las vías. Dado que los orificios pasantes son más fáciles de implementar y tienen un coste menor, se utilizan en la gran mayoría de las placas de circuito impreso en lugar de los otros dos tipos de vías. A menos que se especifique lo contrario, las vías que se mencionan a continuación se consideran orificios pasantes.
Desde el punto de vista del diseño de placas de circuito impreso (PCB), una vía se compone principalmente de dos partes: el orificio perforado en el centro y la zona de la almohadilla que rodea dicho orificio. El tamaño de estas dos partes determina el tamaño de la vía. Obviamente, en el diseño de PCB de alta velocidad y alta densidad, los diseñadores siempre prefieren que las vías sean lo más pequeñas posible, lo que permite disponer de más espacio para el enrutamiento en la placa. Además, las vías más pequeñas tienen una capacitancia parásita menor, lo que las hace más adecuadas para circuitos de alta velocidad. Sin embargo, reducir el tamaño de la vía también aumenta el coste, y el tamaño no puede reducirse indefinidamente. Está limitado por los procesos de taladrado y recubrimiento: los orificios más pequeños requieren tiempos de taladrado más largos y son más propensos a desviaciones de centrado; y cuando la profundidad del orificio supera seis veces el diámetro de la broca, no se puede garantizar un recubrimiento uniforme de cobre en las paredes del orificio. Por ejemplo, el espesor (profundidad del orificio pasante) de una PCB típica de 6 capas es de unos 50 mil, por lo que los fabricantes de PCB solo pueden ofrecer diámetros de taladro de hasta 8 mil.
Capacitancia parásita de las vías
Las propias vías tienen una capacitancia parásita con respecto a tierra. Si el diámetro de la vía en el plano de tierra es D2, el diámetro de la almohadilla de la vía es D1, el grosor de la placa de circuito impreso es T, y la constante dieléctrica del sustrato es ε, entonces la capacitancia parásita de la vía es aproximadamente: C = 1,41εTD1/(D2-D1). El principal efecto de la capacitancia parásita de las vías en el circuito es prolongar el tiempo de subida de la señal y reducir la velocidad del circuito. Por ejemplo, para una placa de circuito impreso de 50 mil de espesor, si se utiliza una vía con un diámetro interior de 10 mil y un diámetro de almohadilla de 20 mil, y la distancia entre la almohadilla y la zona de cobre de tierra es de 32 mil, entonces podemos calcular aproximadamente la capacitancia parásita de la vía utilizando la fórmula anterior: C = 1,41 × 4,4 × 0,050 × 0,020 / (0,032 – 0,020) = 0,517 pF. La variación en el tiempo de subida provocada por esta capacitancia es: T10 – 90 = 2,2C(Z0/2) = 2,2 × 0,517 × (55/2) = 31,28 ps. A partir de estos valores, se puede observar que, aunque el efecto de la reducción del tiempo de subida provocado por la capacitancia parásita de una sola vía no es muy significativo, los diseñadores deben considerar cuidadosamente el uso de vías para cambiar de capa varias veces en el trazado.
¿Cómo se calcula la capacitancia parásita?
La propia vía tiene una capacitancia parásita con respecto a tierra. Si el diámetro del orificio de aislamiento de la vía en el plano de tierra es D2, el diámetro de la almohadilla de la vía es D1, el grosor de la placa de circuito impreso es T y la constante dieléctrica del sustrato es ε, entonces el valor de la capacitancia parásita de la vía es aproximadamente:
C = K * ε0 * 3,14 * TD1 / (D2 – D1)
Donde ε₀ es la permitividad del vacío y K es la permitividad relativa (respecto a ε₀ del vacío) de la placa de circuito impreso.
Inductancia parásita de las vías
Las vías presentan tanto capacitancia parásita como inductancia parásita. En el diseño de circuitos digitales de alta velocidad, los efectos perjudiciales de la inductancia parásita de las vías suelen superar a los de la capacitancia parásita. Su inductancia parásita en serie debilita la contribución de los condensadores de derivación, lo que reduce la eficacia de filtrado de todo el sistema de alimentación. Podemos utilizar la siguiente fórmula para calcular de forma aproximada la inductancia parásita de una vía: L = 5,08h[ln(4h/d) + 1], donde L es la inductancia de la vía, h es la longitud de la vía y d es el diámetro del orificio central. De la fórmula se desprende que el diámetro de la vía tiene un impacto relativamente pequeño en la inductancia, mientras que la longitud de la vía es lo que más influye. Utilizando el ejemplo anterior, la inductancia de la vía se puede calcular como: L = 5,08 × 0,050[ln(4 × 0,050/0,010) + 1] = 1,015 nH. Si el tiempo de subida de la señal es de 1 ns, su impedancia equivalente es: XL = πL/T10 – 90 = 3,19 Ω. Dicha impedancia no puede ignorarse cuando la atraviesa corriente de alta frecuencia. Debe prestarse especial atención al hecho de que, cuando el condensador de derivación se conecta al plano de alimentación y al plano de tierra, debe atravesar dos vías, lo que multiplicará la inductancia parásita de las mismas.
¿Cómo se calcula la inductancia parásita?
Del mismo modo, las vías presentan tanto capacitancia parásita como inductancia parásita. En el diseño de circuitos digitales de alta velocidad, los efectos perjudiciales de la inductancia parásita de las vías suelen superar el impacto de la capacitancia parásita. Su inductancia parásita en serie debilita la contribución de los condensadores de derivación, reduciendo así la eficacia de filtrado de todo el sistema de alimentación eléctrica.
Podemos calcular fácilmente la inductancia parásita de una vía utilizando la siguiente fórmula:
L = 5,08 h [ln(4 h/d) + 1]
L se refiere a la inductancia de la vía.
h es la longitud de la vía.
d es el diámetro del orificio central.
Como se puede observar en la fórmula, el diámetro de la vía tiene un impacto relativamente pequeño en la inductancia, mientras que la longitud de la vía es el factor que más influye en ella. La capacitancia parásita de la vía afecta principalmente al circuito al prolongar el tiempo de subida de la señal y reducir la velocidad del circuito.
Diseño de vías en placas de circuito impreso técnicas
A través del análisis anterior de las características parásitas de las vías, podemos observar que, en el diseño de placas de circuito impreso, unas vías aparentemente sencillas pueden, a menudo, tener efectos negativos significativos en el diseño del circuito. Para reducir los efectos adversos de los efectos parásitos de las vías, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos durante el proceso de diseño:
(1) Selecciona un tamaño de vía razonable. Para diseños de PCB multicapa con densidad general, se recomiendan vías de 0,25 mm/0,51 mm/0,91 mm (agujero taladrado/pad/área de aislamiento de alimentación); en algunas placas de circuito impreso de alta densidad, también se pueden utilizar vías de 0,20 mm/0,46 mm/0,86 mm, o bien se pueden probar vías sin orificio pasante; para las vías de alimentación o de tierra, se pueden considerar tamaños mayores para reducir la impedancia;
(2) Cuanto mayor sea el área de aislamiento de la línea de alimentación, mejor. Teniendo en cuenta la densidad de vías de la placa de circuito impreso, por lo general se aplica la fórmula D1 = D2 + 0,41 mm.
(3) Las trazas de señal en la placa de circuito impreso no deben cambiar de capa en la medida de lo posible; es decir, debe reducirse al mínimo el número de vías;
(4) El uso de una placa de circuito impreso más delgada ayuda a reducir los dos parámetros parásitos de las vías;
(5) Las pines de alimentación y tierra deben conectarse mediante vías lo más cerca posible, y los conductores entre las vías y las pines deben ser lo más cortos posible, ya que aumentan la inductancia. Al mismo tiempo, los conductores de alimentación y tierra deben tener el mayor grosor posible para reducir la impedancia;
(6) Coloca algunas vías de tierra cerca de las vías de cambio de capa de señal para proporcionar bucles de corta distancia a las señales. Por supuesto, los problemas específicos deben analizarse caso por caso durante el proceso de diseño. Teniendo en cuenta tanto el coste como la calidad de la señal, los diseñadores siempre esperan que las vías sean lo más pequeñas posible en el diseño de placas de circuito impreso de alta velocidad, de modo que se pueda dejar más espacio para el cableado en la placa. Además, cuanto más pequeña es la vía, menor es su capacitancia parásita, lo que resulta más adecuado para los circuitos de alta velocidad. En el diseño de placas de circuito impreso de alta densidad, el uso de vías sin orificio pasante y la reducción del tamaño de las vías han supuesto un aumento de los costes. Además, el tamaño de las vías no puede reducirse indefinidamente, ya que está limitado por los procesos de taladrado y galvanoplastia de Fabricantes de placas de circuito impreso. En el diseño de las vías de las placas de circuito impreso de alta velocidad debe buscarse un equilibrio.
Mediante selección en placas de circuito impreso estándar
En el diseño general de placas de circuito impreso (PCB), la capacitancia y la inductancia parásitas de las vías tienen un impacto relativamente pequeño en el diseño de la PCB. Para diseños de PCB de 1 a 4 capas, se suelen preferir vías de 0,36 mm/0,61 mm/1,02 mm (agujeros de taladrado/pads/áreas de aislamiento de alimentación). Para algunas líneas de señal con requisitos especiales (como líneas de alimentación, líneas de tierra, líneas de reloj, etc.), se pueden utilizar vías de 0,41 mm/0,81 mm/1,32 mm, o bien se pueden seleccionar vías de otros tamaños en función de la situación concreta.
Tecnología sin orificios pasantes en el diseño de vías de placas de circuito impreso
Las vías sin orificio pasante incluyen las vías ciegas y las vías enterradas. El uso de vías ciegas y enterradas en la tecnología de vías sin orificio pasante puede reducir significativamente el tamaño y el peso de las placas de circuito impreso, disminuir el número de capas, mejorar la compatibilidad electromagnética, potenciar las prestaciones de los productos electrónicos, reducir los costes y, además, hacer que el proceso de diseño sea más sencillo y rápido.
En el diseño y la fabricación tradicionales de placas de circuito impreso (PCB), las vías plantean numerosos problemas. En primer lugar, ocupan una cantidad significativa de espacio útil. En segundo lugar, un gran número de vías agrupadas entre sí crea obstáculos importantes para el trazado de las conexiones en las PCB multicapa. Estas vías consumen el espacio necesario para el trazado, y su densa penetración a través de las superficies de las capas de alimentación y masa puede alterar sus características de impedancia, lo que podría provocar su fallo. Además, el taladrado mecánico convencional requiere 20 veces más mano de obra que el uso de técnicas sin vías pasantes.
En el diseño de placas de circuito impreso, aunque el tamaño de las almohadillas y las vías se ha reducido gradualmente, si el grosor de la capa de la placa no disminuye proporcionalmente, la relación de aspecto de los orificios pasantes aumentará, lo que reduce la fiabilidad. Gracias a la maduración de las tecnologías avanzadas de perforación por láser y grabado en seco por plasma, ahora es posible utilizar vías ciegas pequeñas sin orificio pasante y vías enterradas pequeñas. Si el diámetro de estas vías sin orificio pasante es de 0,3 mm, los parámetros parásitos resultantes son aproximadamente una décima parte de los de las vías convencionales, lo que mejora la fiabilidad de la PCB. Gracias al uso de la tecnología de vías sin orificio pasante, hay menos vías grandes en la PCB, lo que permite disponer de más espacio para las trazas.
El espacio restante puede utilizarse para un apantallamiento de gran superficie con el fin de mejorar el rendimiento frente a las interferencias electromagnéticas (EMI) y de radiofrecuencia (RFI). Al mismo tiempo, se puede dedicar más espacio restante al apantallamiento parcial de componentes y redes críticas en las capas internas, lo que garantiza un rendimiento eléctrico óptimo. El uso de vías no pasantes facilita la distribución de los terminales de los componentes, lo que simplifica el trazado de dispositivos de alta densidad de pines (como los dispositivos con encapsulado BGA), acorta las longitudes de interconexión y cumple los requisitos de sincronización de los circuitos de alta velocidad.
¿Cuál es la diferencia entre las vías de un circuito impreso y los orificios de los componentes?
En el diseño de placas de circuito impreso, existe una diferencia entre las vías y los orificios para componentes, y nunca deben utilizarse indistintamente.
Las vías suelen servir para facilitar la conducción entre dos lados, y el método de procesamiento convencional consiste en aplicar una capa de aceite.
Los orificios para componentes suelen diseñarse como orificios de inserción para su uso durante la soldadura por inserción.
Si se utilizan indistintamente las vías y los orificios de los componentes, al seleccionar la tinta de recubrimiento de vías, los orificios pasantes quedarán cubiertos u obstruidos por la tinta, lo que impedirá controlar eficazmente su tamaño. Otra situación es que los orificios de los componentes se utilicen erróneamente como vías. En este caso, cuando el software cierra automáticamente la ventana de la vía, no puede identificarla correctamente, lo que da lugar a que las vías que necesitan tinta de recubrimiento no queden recubiertas.
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Resumir
Este artículo no solo resume las técnicas de diseño de vías en placas de circuito impreso recopiladas por el equipo de ingeniería de Geyuan Electronics, sino que también aborda información fundamental sobre las vías y las tecnologías avanzadas actuales en este ámbito. Seguir estas normas y técnicas de diseño puede mejorar significativamente la integridad de la señal, la eficiencia de la gestión térmica y el rendimiento en la primera pasada. Es esencial ejecutar la comprobación de reglas de diseño (DRC) en las últimas fases del proceso de diseño y optimizarlo de acuerdo con las especificaciones de proceso del fabricante de placas de circuito impreso. Si actualmente está buscando un fabricante profesional de placas de circuito impreso para la producción en serie de sus productos, por favor ponte en contacto con nosotros para recibir ayuda.