Una vía es uno de los componentes clave de una placa de circuito impreso (PCB) multicapa. En muchas placas, los costes de taladrado representan entre el 30% y el 40% del coste total de fabricación de la placa. En términos sencillos, cualquier orificio de una PCB puede denominarse vía. En cuanto a su función, una vía tiene dos usos principales: uno es establecer conexiones eléctricas entre capas y el otro es fijar o ubicar componentes.
Si analizamos el proceso de fabricación, las vías se pueden clasificar en tres tipos: vías ciegas, vías enterradas y vías pasantes (vías de orificio pasante). Una vía ciega parte de la superficie superior o inferior de la placa de circuito impreso y desciende hasta alguna capa interna. Tiene una profundidad determinada y se utiliza para conectar las pistas de la superficie con las de las capas internas. La profundidad de una vía ciega no suele superar una determinada proporción con respecto al diámetro del orificio. Una vía enterrada es un orificio que conecta únicamente capas internas; no llega a ninguna superficie de la placa. Tanto las vías ciegas como las enterradas se realizan en el interior de la placa antes de la laminación, y pueden solaparse con varias capas internas durante su formación. El tercer tipo es la vía pasante. Este orificio atraviesa la placa de parte a parte. Puede utilizarse para interconexiones internas o como orificio de montaje o de posicionamiento de componentes. Dado que las vías pasantes son más fáciles de fabricar y más económicas, la mayoría de las placas de circuito impreso las utilizan en lugar de las vías ciegas o enterradas. En el resto de este texto, salvo que se indique lo contrario, el término “vía” se refiere a una vía pasante.
La estructura de Via y por qué el tamaño importa
Desde el punto de vista del diseño, una vía consta de dos partes principales. Una es el orificio central perforado. La otra es la zona de la almohadilla que rodea el orificio perforado. Las dimensiones de estas dos partes determinan el tamaño de la vía. Cuando una placa de circuito impreso (PCB) requiere alta velocidad y alta densidad, los diseñadores buscan que las vías sean lo más pequeñas posible. Las vías pequeñas dejan más espacio para el trazado de las pistas en la placa. Además, las vías más pequeñas tienen una capacitancia parásita menor, por lo que se adaptan mejor a los circuitos de alta velocidad.
Sin embargo, reducir el tamaño de las vías aumenta el coste. Además, el tamaño de las vías no puede reducirse sin límite. El límite viene dado por los procesos de taladrado y galvanoplastia. Cuanto más pequeño es el orificio, más tiempo lleva taladrarlo y mayor es la probabilidad de que la broca se desvíe del centro. Además, cuando la profundidad del orificio es más de seis veces el diámetro de la broca, resulta difícil garantizar que la pared del orificio reciba un recubrimiento de cobre uniforme. Por ejemplo, una placa de circuito impreso (PCB) normal de seis capas tiene un espesor (profundidad de la vía) de unos 50 mil. En esas condiciones, la fábrica de PCB suele poder taladrar hasta un diámetro mínimo de unos 8 mil.
Capacitancia parásita de una vía
Una vía tiene una capacitancia parásita a masa. Si sabemos que el diámetro del orificio de paso a masa en la capa plana 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 de la placa es ε, entonces la capacitancia parásita aproximada de la vía es:
C = 1,41 × ε × T × D1 / (D2 − D1)
Esta fórmula ofrece una estimación razonable de la capacitancia de la vía. La capacitancia parásita alarga principalmente el tiempo de subida de la señal y, por lo tanto, reduce la velocidad del circuito.
Veamos un ejemplo concreto. Supongamos que el grosor de la placa es de 50 mil. El diámetro interior de la vía es de 10 mil y el diámetro de la almohadilla es de 20 mil. La distancia entre la almohadilla y la zona de cobre de masa es de 32 mil. Aplicando la fórmula anterior y tomando ε = 4,4, obtenemos:
C = 1,41 × 4,4 × 0,050 × 0,020 / (0,032 − 0,020) ≈ 0,517 pF
Este valor de capacitancia modifica el tiempo de subida. Si la impedancia característica es de 55 ohmios, la variación en el tiempo de subida del 10%–90% provocada por esta capacitancia es aproximadamente:
T10−90 = 2,2 × C × (Z0 / 2) ≈ 2,2 × 0,517 × (55 / 2) ≈ 31,28 ps
A partir de estas cifras, vemos que la capacitancia parásita de una sola vía tiene un efecto mínimo en el tiempo de subida. Sin embargo, si una señal atraviesa muchas vías al cambiar de capa, el efecto se acumulará. Por lo tanto, el diseñador debe analizarlo detenidamente.
Inductancia parásita de una vía
Además de la capacitancia parásita, una vía también presenta inductancia parásita. En el diseño digital de alta velocidad, el efecto negativo de la inductancia parásita de la vía suele ser mayor que el de la capacitancia parásita. La inductancia en serie de la vía puede debilitar el efecto de los condensadores de derivación y reducir el rendimiento de filtrado de todo el sistema de alimentación.
Una fórmula aproximada sencilla para calcular la inductancia de la vía es:
L = 5,08 × h × [ ln(4h / d) + 1 ]
donde:
- L es la inductancia de la vía,
- h es la longitud de la vía,
- d es el diámetro de la broca de centrado.
De la fórmula se desprende que el diámetro de la vía tiene un efecto reducido sobre la inductancia, mientras que la longitud de la vía es lo que más influye. Si utilizamos el ejemplo anterior, con h = 0,050 y d = 0,010, obtenemos:
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, la reactancia inductiva equivalente es:
XL = π × L / T10−90 ≈ π × 1,015 nH / 1 ns ≈ 3,19 Ω
Cuando hay corriente de alta frecuencia, no se puede ignorar una impedancia de este nivel. Hay que tener en cuenta también que un condensador de derivación colocado para conectar la capa de alimentación y la capa de tierra suele necesitar dos vías. Eso significa que la inductancia de las vías se duplicará en esta ruta de derivación.
Qué significa esto para el diseño de alta velocidad
Del análisis anterior sobre los efectos parásitos de las vías se desprende que una vía aparentemente sencilla puede provocar importantes efectos negativos en una placa de circuito impreso de alta velocidad. Para reducir estos problemas, los diseñadores pueden adoptar las siguientes medidas.
- Elige un tamaño de vía razonable
Ten en cuenta tanto el coste como la calidad de la señal. Por ejemplo, para placas de circuito impreso de módulos de memoria de entre 6 y 10 capas, una vía de 10/20 mil (taladro/placa de contacto) es una buena opción. Para algunas placas pequeñas de alta densidad, puede probar con vías de 8/18 mil. Con la tecnología actual, es difícil fabricar vías más pequeñas que esas. Para las vías de alimentación o de tierra, utilice tamaños mayores para reducir la impedancia. - Si es posible, utiliza una tabla más fina.
Como muestran las fórmulas, una placa más delgada contribuye a reducir tanto la capacitancia como la inductancia de las vías. - Evita los cambios innecesarios de capa
Intenta trazar las señales sin cambiar de capa. En otras palabras, utiliza el menor número posible de vías. - Coloca los pines de alimentación y de tierra cerca de las vías
Coloca los pines de alimentación y tierra cerca de sus vías. Mantén las líneas entre la vía y el pin lo más cortas posible, ya que las líneas largas aumentan la inductancia. Utiliza trazas más anchas para la alimentación y la tierra a fin de reducir la impedancia. - Coloca las vías de tierra cerca de las vías de cambio de capa de señal
Coloca vías de tierra cerca de aquellas en las que las señales cambian de capa. Esto proporciona a la señal una ruta de retorno cercana. También puedes añadir muchas vías de tierra adicionales si es necesario. Pero sé flexible. El modelo de vías comentado anteriormente suponía la presencia de una almohadilla en cada capa. En algunos casos, puedes reducir o eliminar almohadillas en algunas capas internas. Cuando la densidad de vías es muy alta, las almohadillas grandes sobre un relleno de cobre pueden formar un bucle roto. Para solucionarlo, puedes mover algunas vías o reducir el tamaño de las almohadillas en determinadas capas.
Diseño de placas de circuito impreso de alta velocidad: consejos prácticos
Las placas de circuito impreso (PCB) de alta velocidad suelen tener varias capas, y las vías son un factor fundamental en su diseño. Una vía en una PCB consta de tres partes: el propio orificio, la almohadilla que lo rodea y la zona de aislamiento de la capa de alimentación (el espacio libre en los planos de alimentación y de tierra alrededor de la vía).
A continuación se ofrecen algunos consejos prácticos para placas multicapa de alta velocidad:
- Recomendaciones sobre la talla de las vías
Para placas multicapa generales de densidad moderada, una vía con las dimensiones 0,25 mm / 0,51 mm / 0,91 mm (orificio / almohadilla / aislamiento de alimentación) es una buena opción. Para placas de alta densidad, las dimensiones de 0,20 mm / 0,46 mm / 0,86 mm pueden ser adecuadas. En algunos diseños se pueden utilizar vías sin recubrimiento. Para las vías de alimentación o de tierra, se recomienda utilizar tamaños mayores para reducir la impedancia. - Zona de aislamiento eléctrico
Cuanto mayor sea el área de aislamiento de potencia, mejor. Hay que tener en cuenta la densidad de vías en el plano. A menudo se utiliza como referencia la fórmula D1 = D2 + 0,41, lo que significa que el diámetro de la almohadilla es igual al diámetro del espacio libre del plano más 0,41 mm. Esto ayuda a mantener un espacio libre en el plano lo suficientemente amplio. - Reducir al mínimo los cambios en las capas
Reduce el número de vías evitando cambios innecesarios de capa en el trazado de las señales. - Utiliza tablas más finas
Las placas más finas reducen tanto la capacitancia como la inductancia de las vías. - Conexiones de alimentación y tierra cortas y anchas
Mantén corta la distancia entre la vía y el pin de alimentación o de tierra. Haz las pistas lo más anchas que sea posible para la alimentación o la tierra, a fin de reducir la impedancia inductiva. - Toma de tierra mediante costuras cerca de las vías de cambio de capa
Añade vías de tierra cerca de las vías por las que la señal se desplaza entre capas. De este modo, la señal dispone de una ruta de retorno más corta.
Hay que tener en cuenta también que la longitud de la vía es un factor fundamental para su inductancia. En el caso de las vías pasantes de las capas superior e inferior, la longitud de la vía es igual al espesor total de la placa. A medida que aumenta el número de capas, el espesor de la placa puede superar los 5 mm. En el diseño de alta velocidad, la longitud de la vía suele mantenerse por debajo de los 2,0 mm para reducir los problemas relacionados con las vías. Para longitudes de vía superiores a 2,0 mm, aumentar el diámetro de la vía puede ayudar a restablecer la continuidad de la impedancia. Cuando la longitud de la vía es de 1,0 mm o menos, el diámetro óptimo de la vía es de entre 0,20 mm y 0,30 mm aproximadamente.
Taladrado posterior en la fabricación de placas de circuito impreso
1. ¿Qué es el «backdrilling»?
El taladrado inverso es un paso especial de taladrado que se utiliza en placas de orificios profundos. Por ejemplo, al fabricar una placa de 12 capas, es posible que queramos conectar la capa 1 con la capa 9. Normalmente, taladramos un orificio pasante una vez y luego lo recubrimos. Esa vía discurre entonces desde la capa 1 hasta la capa 12, pero solo necesitamos una conexión entre la capa 1 y la capa 9. La sección sobrante, desde la capa 10 hasta la capa 12, actúa como un ramal. Este ramal afecta a las rutas de señal y puede provocar problemas de integridad de la señal en las señales de comunicación. Para eliminar este ramal sobrante, lo taladramos desde la cara posterior, lo que supone un segundo paso de taladrado. A esto se le denomina «taladrado inverso». En la práctica, los fabricantes no taladran hasta el último milímetro, ya que en pasos posteriores se elimina parte del cobre y la broca tiene una punta cónica. Por eso, la fábrica suele dejar un ramal muy pequeño. La longitud restante del ramal se denomina valor B, y un buen valor B suele estar entre 50 μm y 150 μm.
2. ¿Por qué se realiza la perforación inversa?
El taladrado inverso ofrece varias ventajas:
- Reduce el ruido y las interferencias.
- Mejora la integridad de la señal.
- Puede hacer que una zona concreta del tablero sea más fina.
- Reduce la necesidad de vías enterradas o ciegas, lo que disminuye la complejidad de la placa.
3. ¿Para qué sirve el backdrilling?
El taladrado inverso elimina la parte de la vía que no contribuye a la conexión ni a la transmisión de la señal. De este modo se evitan las reflexiones, la dispersión, el retraso y otros efectos que provocan la “distorsión” de la señal. Las investigaciones demuestran que, además del diseño, el material de la placa, las líneas de transmisión, los conectores y el encapsulado de los chips, las vías pasantes tienen un gran impacto en la integridad de la señal.
4. Principio de funcionamiento del taladrado inverso
El taladrado inverso utiliza una broca cuya posición se determina mediante la detección de la superficie de la placa de circuito impreso. Cuando la punta de la broca entra en contacto con la lámina de cobre de la superficie de la placa, se genera una microcorriente. Esta corriente indica a la máquina la altura de la superficie de la placa. A continuación, la máquina taladra hasta la profundidad establecida y se detiene.
5. Pasos del proceso de taladrado inverso
Un proceso típico de perforación inversa podría desarrollarse de la siguiente manera:
a. Realiza unos orificios de referencia en la placa de circuito impreso. Utiliza estos orificios para realizar el primer paso del taladrado (el orificio pasante).
b. Tras el primer taladrado, recubra los orificios. Antes de recubrirlos, utilice una película seca para proteger los orificios de registro según sea necesario.
c. Traza el patrón de la capa exterior sobre la placa metalizada.
d. Realiza el recubrimiento según el patrón. Antes de ello, vuelve a aplicar película seca en los orificios de registro si es necesario.
e. Utiliza los orificios de registro de la primera taladradora para colocar la placa para el taladrado trasero. Utiliza una broca para taladrar las secciones chapadas que requieran taladrado trasero.
f. Tras realizar los taladros traseros, limpia los orificios taladrados para eliminar cualquier resto de polvo y residuos de taladrado.
6. Características técnicas de las placas con orificios traseros
Entre las características técnicas habituales se incluyen:
- La mayoría de las placas con perforaciones traseras son placas rígidas.
- El número de capas suele oscilar entre 8 y 50.
- El grosor de las placas suele ser de 2,5 mm o más.
- La relación entre el espesor y el diámetro es relativamente elevada.
- Las tablas son grandes.
- El diámetro mínimo inicial de la broca suele ser ≥ 0,3 mm.
- Hay pocas pistas en la capa exterior; la placa suele utilizar una disposición en pinza para los orificios de ajuste a presión.
- Los orificios de taladrado inverso suelen ser 0,2 mm más grandes que los orificios que se van a eliminar.
- La tolerancia de profundidad del taladrado inverso es de aproximadamente ±0,05 mm.
- Si la perforación trasera debe llegar hasta la capa M, el espesor dieléctrico desde la capa M hasta la capa M−1 debe ser de al menos 0,17 mm.
7. Aplicaciones típicas de las placas con orificios en la parte posterior
Las placas con orificios traseros se utilizan principalmente en ámbitos que requieren una integridad de señal muy buena y estructuras de gran tamaño. Entre los campos más habituales se encuentran los equipos de comunicaciones, los servidores de gran tamaño, la electrónica médica, el sector militar y el aeroespacial. Dado que los sectores militar y aeroespacial son ámbitos sensibles, las placas base destinadas a estas áreas suelen ser fabricadas por institutos de investigación, centros de I+D o fabricantes de placas de circuito impreso con una sólida experiencia en dichos campos. En China, la mayor parte de la demanda de placas de fondo proviene del sector de las comunicaciones, que está creciendo rápidamente.
Resumen
En resumen, las vías son sencillas pero fundamentales. Conectan las capas y, además, añaden capacitancia e inductancia parásitas. Estos efectos parásitos influyen tanto en el tiempo de subida de la señal como en el rendimiento de los condensadores de derivación. La longitud de la vía determina principalmente la inductancia. El tamaño de la vía, el tamaño de la almohadilla y el espacio libre afectan a la capacitancia. Para diseños de alta velocidad, utilice la siguiente lista de comprobación:
- Elige el tamaño de las vías en función de la densidad y el coste de la placa. Para muchas placas, 10/20 mil es una buena opción; para placas más densas, prueba con 8/18 mil. Para las vías de alimentación y tierra, elige tamaños más grandes.
- Si es posible, utiliza una placa fina. Así se reducen los efectos parásitos de las vías.
- Evita los cambios de capa innecesarios. Siempre que puedas, mantén el trazado en la misma capa.
- Coloca los pines de alimentación y tierra cerca de las vías y mantén las conexiones cortas y anchas.
- Añade vías de tierra cerca de las vías de señal que cambian de capa para crear una ruta de retorno corta.
- En el caso de vías largas o placas de gran espesor, plantéate realizar un taladrado inverso para eliminar los restos que puedan afectar a las señales de alta velocidad.
- Cuando la densidad de las vías sea muy elevada, plantéate reducir el tamaño de las almohadillas en algunas capas internas para evitar la interrupción de los trazos de cobre.
Sigue estas reglas y ten en cuenta el sistema en su conjunto, no solo una única vía. En el diseño de alta velocidad, los pequeños detalles marcan la diferencia. Un diseño cuidadoso de las vías hará que tu placa funcione mejor, reducirá los riesgos y te ahorrará tiempo más adelante a la hora de depurar el sistema.
