Guía completa sobre el diseño de las almohadillas de las placas de circuito impreso

En Diseño de placas de circuito impreso, pocos elementos son tan cruciales como las almohadillas de las placas de circuito impreso (PCB). Estas áreas conductoras, diminutas pero potentes, son donde ocurre toda la magia, ya que constituyen los puntos clave para las conexiones de los componentes, la transmisión de señales y la formación de las uniones de soldadura. Tanto si estás diseñando circuitos de montaje en superficie, de orificios pasantes o de alta densidad, es esencial comprender todos los entresijos de las almohadillas de las PCB. En esta guía, analizaremos diversos tipos de pads, normas de diseño, reglas de disposición y errores habituales. Por lo tanto, si tu objetivo es lograr una mejor soldabilidad, conexiones más resistentes y cero retocados…

Introducción a las almohadillas de los PCB

Las almohadillas de las placas de circuito impreso (PCB) son las zonas metálicas expuestas de una placa de circuito impreso donde se sueldan los cables, terminales o pines de los componentes. Si las almohadillas son demasiado pequeñas, están muy desalineadas o tienen una superficie rugosa, todo el proceso de montaje puede fallar, lo que podría provocar un fallo del producto. Las almohadillas son más que simples discos metálicos pequeños; integran anclajes mecánicos, contactos eléctricos y conductos térmicos. Las almohadillas de las placas de circuito impreso se dividen principalmente en dos categorías: almohadillas de montaje en superficie (SMD) y almohadillas de orificio pasante (PTH). Aunque sus funciones son similares, difieren significativamente en estructura, disposición y aplicación. Mientras que las pistas transportan las señales, las almohadillas son donde estas señales se activan: el contacto físico entre los componentes y la placa de circuito impreso. En pocas palabras: sin almohadillas, no hay soldadura; sin soldadura, no hay circuito.

Tipos de almohadillas de PCB

Una almohadilla de soldadura es un elemento básico del montaje en superficie, que se utiliza para formar el patrón de contactos de una placa de circuito impreso. Se refiere a diversas combinaciones de almohadillas diseñadas para tipos específicos de componentes. Las almohadillas de soldadura son patrones conductores que se utilizan para conexiones eléctricas, para el montaje de componentes o para ambas cosas. A continuación se muestran algunos tipos comunes y especiales de almohadillas para placas de circuito impreso.

Compresas comunes

almohadillas cuadradas	Este tipo de almohadilla se utiliza a menudo cuando los componentes de la placa de circuito impreso son grandes y escasos, y las pistas impresas son sencillas. Es fácil de aplicar al fabricar una PCB a mano.
Almohadillas circulares	Se utiliza ampliamente en placas de circuito impreso de una y dos caras con componentes dispuestos de forma regular. Si la densidad de la placa lo permite, las almohadillas pueden ser más grandes para evitar que se desprendan durante la soldadura.
Almohadillas para islas	Las conexiones entre las almohadillas de soldadura están integradas en una sola unidad. Este sistema se utiliza habitualmente en instalaciones verticales con una disposición irregular.
Almohadillas poligonales	Se utiliza para distinguir las almohadillas de soldadura que tienen diámetros exteriores similares pero diámetros de orificio diferentes, lo que facilita el procesamiento y el montaje.
almohadillas ovaladas	Estas almohadillas tienen una superficie suficiente para mejorar la resistencia al desprendimiento y se utilizan habitualmente en dispositivos de encapsulado dual en línea (DIP).
Almohadillas de diseño abierto	Esto se suele utilizar para garantizar que los orificios de las pastillas reparadas manualmente no queden obstruidos por la soldadura tras el proceso de soldadura por ola.

Almohadillas especiales

Puntos de soldadura «flor de ciruelo»	Las pastillas paralelas se suelen utilizar en la ubicación de vías grandes para la conexión a tierra, y hay varias razones que justifican este diseño: 1) El orificio de montaje debe estar metalizado y conectado a GND. Si el orificio de montaje está totalmente metalizado, es fácil que se obstruya durante la soldadura por reflujo. 2) El uso de orificios metálicos internos para tornillos puede dar lugar a una mala conexión a tierra debido a la instalación o a desmontajes repetidos. Sin embargo, el uso de almohadillas con orificios en forma de estrella garantiza una buena conexión a tierra independientemente de los cambios de tensión.
Puntos de soldadura en forma de cruz	Las almohadillas de soldadura en forma de cruz, también conocidas como almohadillas de soldadura en caliente o almohadillas de soldadura por aire caliente, se utilizan para reducir la pérdida de calor durante la soldadura, evitando así las uniones de soldadura frías o el desprendimiento de la placa de circuito impreso (PCB) causado por una disipación excesiva del calor. 1) Cuando las almohadillas de soldadura son líneas de tierra. Los patrones en forma de cruz pueden reducir el área de la conexión a tierra, ralentizar la disipación del calor y facilitar la soldadura. 2) Cuando tu PCB requiere un montaje mecánico y se somete a soldadura por reflujo, las almohadillas en forma de cruz pueden evitar el desprendimiento de la PCB (ya que se necesita más calor para fundir la pasta de soldadura).
Almohadilla en forma de lágrima	Este tipo de pad se utiliza a menudo cuando la pista conectada al pad es delgada, para evitar que el pad se despegue o que la pista se desprenda del mismo. Este tipo de pad se utiliza habitualmente en circuitos de alta frecuencia.

Normas básicas de diseño de almohadillas

Especificaciones de tamaño y forma

El tamaño de la almohadilla debe coincidir exactamente con los pines o terminales del componente. Según la experiencia del sector, la anchura mínima de un solo lado de la almohadilla no debe ser inferior a 0,25 mm, y el diámetro total no debe superar el triple del diámetro del orificio del componente. Por ejemplo, en el caso de componentes de orificio pasante con un diámetro de orificio de 0,8 mm, el diámetro de la almohadilla debe mantenerse por debajo de 2,4 mm para evitar la formación de puentes debido a almohadillas excesivamente grandes. Para configuraciones de cableado de alta densidad, se recomiendan almohadillas elípticas u oblongas. En el caso de las placas de una sola cara, el diámetro recomendado de la almohadilla es de 1,6 mm, mientras que en las placas de doble cara con cableado de baja tensión, el diámetro de la almohadilla puede reducirse al diámetro del orificio más 0,5 mm.

Optimización del espaciado y la maquetación

La separación entre las almohadillas es un parámetro clave para evitar cortocircuitos. Las normas exigen una distancia superior a 0,4 mm entre los bordes de dos almohadillas. Para componentes con un paso de pines ≤ 2,0 mm (como los paquetes DIP), se recomienda un diseño de almohadillas en placas multicapa con un diámetro igual al diámetro del orificio + 0,2 a 0,4 mm. A la hora de colocar los componentes, debe respetarse el principio de la dirección de soldadura por ola: el eje de los dispositivos lineales con múltiples pines (como los conectores) debe ser paralelo a la dirección de transferencia, mientras que los componentes ligeros (como los diodos) deben colocarse verticalmente para evitar que floten debido a que un extremo se solidifique primero durante la soldadura.

Normas de diseño de las almohadillas en las placas de circuito impreso diseño

El diseño de las almohadillas es un paso fundamental para garantizar la calidad de la soldadura y la fiabilidad de los circuitos. Una almohadilla bien diseñada no solo mejora la eficiencia de la producción, sino que también reduce significativamente las tasas de defectos de soldadura. A continuación se detallan las normas y especificaciones habituales para el diseño de almohadillas. Normas de diseño de la forma y el tamaño de las almohadillas de las placas de circuito impreso (PCB)

1. Llama a la biblioteca de paquetes estándar de PCB.

2. El diámetro mínimo de uno de los lados de la arandela no debe ser inferior a 0,25 mm, y el diámetro máximo de toda la arandela no debe superar tres veces el diámetro del orificio del componente.

3. Intenta asegurarte de que la distancia entre los bordes de las dos almohadillas sea superior a 0,4 mm.

4. Las pastillas cuyo diámetro del orificio supere los 1,2 mm o cuyo diámetro total supere los 3,0 mm deben diseñarse con forma de rombo o de flor de ciruelo.

5. Para un cableado denso, se recomienda utilizar almohadillas de conexión ovaladas y alargadas. El diámetro o la anchura mínima de las almohadillas en una placa de una sola cara es de 1,6 mm; en el caso de las placas de doble cara, las almohadillas para las líneas de baja tensión solo deben tener un diámetro igual al del orificio más 0,5 mm. Las almohadillas de tamaño excesivo pueden provocar fácilmente puentes eléctricos innecesarios.

Norma sobre el tamaño de las vías de las almohadillas en placas de circuito impreso

El diámetro interior de la almohadilla no suele ser inferior a 0,6 mm, ya que los orificios de menos de 0,6 mm son difíciles de procesar mediante punzonado. Normalmente, el diámetro interior de la almohadilla es igual al diámetro del terminal metálico más 0,2 mm. Por ejemplo, si el diámetro del terminal metálico de la resistencia es de 0,5 mm, el diámetro interior de su almohadilla es de 0,7 mm. El diámetro de la almohadilla depende del diámetro interior.

Materiales de las almohadillas de los PCB y tratamiento de superficies

Las almohadillas de soldadura no son solo de cobre; su tratamiento superficial es igual de importante. La mayoría de las almohadillas de soldadura son a base de cobre. Sin embargo, el cobre sin recubrimiento se oxida rápidamente, por lo que los fabricantes aplican tratamientos superficiales para garantizar una buena soldabilidad y durabilidad. Esto da lugar a tecnologías como HASL, ENIG y OSP. Además, cada proceso de tratamiento superficial influye en el rendimiento de las almohadillas de soldadura durante el proceso de soldadura.

• El nivelado por aire caliente (HASL) es un proceso habitual y económico, pero da lugar a superficies irregulares.

• El recubrimiento de níquel-oro sin corriente (ENIG) proporciona una superficie lisa y fiable, así como una mayor vida útil, lo que lo hace ideal para componentes de paso fino y contactos dorados.

• El OSP (protector orgánico de soldabilidad) es una opción sin plomo y respetuosa con el medio ambiente, pero es más propenso a la oxidación.

Problemas provocados por unas dimensiones incorrectas de las almohadillas en las placas de circuito impreso

El tamaño, la forma y la posición de las almohadillas en un encapsulado de PCB influyen directamente en la capacidad de fabricación de la placa. El uso de almohadillas de tamaño incorrecto o en una posición errónea durante el proceso de soldadura en el montaje de la PCB puede provocar diversos problemas. A continuación se muestran algunos ejemplos:

Componentes flotantes	Si un componente de montaje superficial se coloca sobre almohadillas demasiado grandes o con una separación incorrecta, el componente puede desplazarse y quedar fuera de posición durante la soldadura por reflujo. Esto puede provocar que la soldadura forme puentes con otros metales y que el espaciado entre componentes sea insuficiente durante el enfriamiento térmico, la reparación y las pruebas de la placa de circuito impreso.
Uniones de soldadura incompletas	Si las pastillas son demasiado pequeñas o están demasiado juntas, es posible que no haya espacio suficiente para formar cordones de soldadura adecuados. Esto puede dar lugar a uniones de soldadura defectuosas o a que no se formen puntos de soldadura en absoluto.
Puentes de soldadura	Las almohadillas de montaje superficial de gran tamaño pueden hacer que los componentes queden sueltos, lo que puede provocar la formación de puentes de soldadura. Esto ocurre cuando la soldadura cruza una almohadilla o un elemento metálico de otra red y crea un cortocircuito directo. Los puentes de soldadura también pueden producirse si no se diseñan correctamente la máscara de soldadura y los elementos de la pasta de soldadura en la forma de la almohadilla dentro de la herramienta CAD.
Erigir un monumento	Pueden surgir problemas de soldadura cuando dos componentes SMT fijos, como resistencias y condensadores, tienen almohadillas de diferentes tamaños. Una de las almohadillas se calentará más rápido que la otra, y la soldadura fundida levantará el componente de la otra almohadilla, pegándolo a ella como si fuera una lápida.
Succión del núcleo de soldadura	Las almohadillas de orificio pasante también pueden presentar dificultades si su diseño es incorrecto. Si el tamaño de la broca es demasiado grande para las patillas del componente que se introducen en el orificio, la soldadura puede ser aspirada a través del núcleo del orificio antes de que se logre una conexión adecuada. Por otro lado, una broca demasiado pequeña dificultará la inserción de las patillas de los componentes y ralentizará el proceso de montaje.
Desconexión de orificios pasantes	Las almohadillas de orificio pasante deben tener un anillo sólido para garantizar la soldabilidad; este anillo es el metal situado entre la pared del orificio y el perímetro exterior de la almohadilla. El tamaño del anillo está diseñado para ser lo suficientemente grande como para permitir que la broca se desvíe del centro del orificio tal y como está previsto. Sin embargo, si la almohadilla es demasiado pequeña, pueden producirse algunas roturas en el anillo, y un número excesivo de roturas puede provocar una soldadura defectuosa o circuitos dañados e incompletos. Si el tamaño de la almohadilla es demasiado pequeño para el orificio que se está taladrando, la broca puede oscilar ligeramente y desviarse de la forma de la almohadilla durante las operaciones normales de taladrado.
Cortocircuito con otros metales	Las almohadillas demasiado pequeñas provocarán que las pistas superficiales queden demasiado cerca de los componentes soldados a ellas, lo que puede dar lugar a posibles zonas de cortocircuito metálico. Por otro lado, las almohadillas demasiado grandes pueden limitar el trazado entre ellas, lo que dificulta el trazado de la placa de circuito impreso.

Consideraciones sobre el diseño de las almohadillas para diferentes tipos de placas de circuito impreso

El control estandarizado de las dimensiones, la optimización refinada de la disposición y los mecanismos de prevención de defectos pueden mejorar significativamente el rendimiento de la soldadura y la fiabilidad del producto. A medida que los componentes electrónicos se vuelven más pequeños y densos, el diseño futuro de las almohadillas dependerá en mayor medida de la simulación asistida por IA y de las herramientas de DFM (diseño para la fabricabilidad), lo que supondrá un cambio de paradigma: se pasará de enfoques basados en la experiencia a otros basados en datos. A continuación se presenta nuestro resumen de las consideraciones de diseño de las almohadillas para diferentes tipos de placas de circuito impreso (PCB).

Diseño y aplicación de Puntos de montaje de componentes SMD

Las almohadillas SMD constituyen la base de la tecnología de montaje en superficie y se utilizan ampliamente en una gran variedad de productos, desde teléfonos inteligentes hasta luces LED. La forma de las almohadillas depende del componente. Por ejemplo, las resistencias en chip utilizan almohadillas rectangulares, mientras que los paquetes planos cuádruples (QFP) requieren un espaciado y unas dimensiones precisas que se adapten a los terminales de paso fino. Por lo tanto,

• Una mala disposición de las almohadillas SMD puede provocar el «efecto tumba» (es decir, que un lado de la almohadilla se levante durante la soldadura por reflujo) o la formación de puentes (es decir, que la soldadura conecte almohadillas adyacentes, lo que provoca un cortocircuito).
• Un diseño adecuado de las almohadillas SMD se ajusta a la norma IPC-7351 para garantizar un volumen de soldadura, una longitud de almohadilla y un espaciado óptimos.

Normas de funcionamiento y diseño de pads de orificio pasante

Aunque las almohadillas de orificio pasante puedan parecer algo anticuadas en la era de la tecnología de montaje en superficie, siguen desempeñando un papel crucial en los diseños de alta corriente, alta resistencia mecánica y fuentes de alimentación. Estas almohadillas deben alojar los terminales de los componentes, permitir el flujo de soldadura y, al mismo tiempo, mantener la integridad estructural y eléctrica de ambas caras de la placa de circuito impreso. La relación entre el diámetro del orificio y el tamaño de la almohadilla es fundamental. La almohadilla debe tener un área anular suficiente (es decir, la capa de cobre que rodea el orificio) para garantizar una buena conectividad y fijación mecánica.

Apilamiento de pastillas en placas de circuito impreso multicapa

En circuitos impresos multicapa, el diseño de las almohadillas cobra aún más importancia. Cada almohadilla forma parte de una pila de almohadillas, y esta pila es una estructura vertical que incluye almohadillas superiores e inferiores, conexiones entre capas internas y vías. No todas las almohadillas de la pila son visibles. Las almohadillas internas se conectan a los planos de alimentación o de tierra a través de vías. Unas dimensiones incorrectas de las almohadillas pueden provocar problemas de integridad de la señal o incluso hacer que la placa sea imposible de fabricar. Los diseños modernos pueden emplear la tecnología «via-in-pad», que consiste en colocar vías directamente debajo de las almohadillas de los componentes, algo habitual en los paquetes BGA y en los componentes de paso fino. Aunque esta técnica ahorra espacio, requiere procesos avanzados como el taponado de vías y la planarización.

Pads de PCB en diseños de alta densidad

En diseños de alta densidad, como los de los dispositivos móviles o Placas de circuito impreso de alta densidad (HDI), el espacio es extremadamente valioso. Las almohadillas deben diseñarse para que sean más pequeñas, más densas y más limpias que nunca. A medida que disminuye el tamaño de las almohadillas, la fabricabilidad se reduce y aumenta el riesgo de defectos. Por eso, muchos diseñadores utilizan microalmohadillas (de tan solo 0,3 mm) y almohadillas de paso fino (menos de 0,4 mm), y llevan a cabo rigurosas revisiones de DFM (diseño para la fabricación). Para lograrlo, puede que sea necesario emplear vías dentro de las almohadillas, microvías perforadas con láser y una alineación más precisa de la máscara de soldadura. No se trata solo de una cuestión de diseño, sino de un equilibrio entre el rendimiento eléctrico, la integridad mecánica y la capacidad del proceso.

Tamaños de las almohadillas para el montaje manual y automático

El diseño de las almohadillas no es igual para todos los casos; el método de montaje de la placa de circuito impreso es fundamental. La soldadura manual ofrece mayor flexibilidad, lo que permite utilizar almohadillas más grandes que resultan más fáciles de calentar y soldar para los técnicos. Por ejemplo, un componente 1206 soldado a mano podría utilizar una almohadilla de 1,8 mm de longitud, mientras que la soldadura por reflujo automatizada podría requerir solo 1,4 mm. Si su placa va a someterse a un proceso de colocación automatizada y soldadura por reflujo, las dimensiones de las almohadillas deben cumplir con la norma IPC-7351 sobre patrones de almohadillas. Esto incluye las aberturas de la plantilla, el volumen de la pasta de soldadura y las tolerancias de alineación.

Norma de diseño de almohadillas IPC

Las normas IPC son tu red de seguridad. La norma IPC-7351 es la guía de referencia para la geometría de las almohadillas, mientras que la norma IPC-2221 abarca las normas comunes de diseño de placas de circuito impreso. Estas normas se basan en años de datos del sector y ayudan a evitar las conjeturas sobre las dimensiones de las almohadillas, especialmente cuando se trata de componentes con formas irregulares o paquetes de paso fino.

Conclusión

Desde los componentes SMD hasta los de orificio pasante, desde los de tipo disipador térmico hasta los de tipo «lágrima», las almohadillas de las placas de circuito impreso (PCB) son mucho más que unos simples anillos de cobre; son el elemento vital de un circuito. Unas almohadillas bien diseñadas garantizan uniones de soldadura más resistentes, una mejor disipación del calor y menos dificultades de fabricación. Esta guía abarca todos los aspectos del diseño de las almohadillas: materiales, normas IPC, diseños de alta densidad, defectos habituales, así como herramientas y proveedores para garantizar el éxito del diseño. Tanto si estás soldando prototipos a mano como si envías millones de placas a una fábrica, la calidad de las almohadillas puede determinar el éxito o el fracaso de todo el producto. Presta atención a las almohadillas, busca la excelencia y tus PCB te recompensarán con fiabilidad y alto rendimiento. Si necesitas una producción de PCB a gran escala, ponte en contacto con nuestro equipo para que te ayude.