Los fabricantes de electrónica utilizan circuitos impresos multicapa (PCB) para que los circuitos ocupen menos espacio. Esto les permite colocar más piezas en la parte superior de la placa, y también deja espacio para colocar trazas en las capas interiores. Las vías son la única forma de establecer conexiones eléctricas entre las distintas capas. Las vías son una parte fundamental del diseño de la placa, pero también modifican el funcionamiento de la soldadura y pueden añadir puntos débiles. Estos puntos débiles pueden reducir la fiabilidad de toda la placa. Pero si los diseñadores siguen unas buenas normas de diseño, pueden utilizar vías y seguir fabricando una placa de circuito impreso fiable.
¿Qué es una vía?
Una vía es un orificio en una placa de circuito impreso que atraviesa una o varias capas. El fabricante recubre el orificio con cobre para formar un barril. Los extremos del barril se conectan a trazas específicas de las capas. De este modo, se crea un contacto eléctrico entre dos capas. Si una vía atraviesa varias capas interiores, éstas también pueden conectarse a la vía cuando el circuito lo necesite.
Existen tres tipos principales de vías: pasantes, enterradas y ciegas.
- Las vías pasantes atraviesan todo el grosor de la placa. Empiezan en la capa superior y terminan en la inferior. Los fabricantes pueden revestir o no las vías pasantes según sus necesidades. Cuando un circuito lo necesita, una vía pasante revestida permite que otras capas internas se conecten a ella.
- Las vías enterradas atraviesan dos o más capas interiores. No son visibles ni por arriba ni por abajo. Cuando el circuito lo necesita, las capas que atraviesa una vía enterrada pueden conectarse a ella.
- Las vías ciegas comienzan en la capa superior o inferior y terminan en una capa interior. Por el camino pueden atravesar varias capas interiores y conectarse a ellas cuando sea necesario.
Las placas de circuito impreso de alta densidad de interconexión (HDI) y las placas de circuito impreso flexibles utilizan otro tipo de vías denominadas microvías. Las microvías son muy pequeñas. Los fabricantes las perforan con un láser. Cada microvía suele atravesar una sola capa. Los fabricantes pueden apilar microvías unas sobre otras para que actúen como vías pasantes, ciegas o enterradas.
Por tamaño
Una vía es más resistente y conductora cuanto mayor es su diámetro. Las vías más grandes tienen mayor resistencia mecánica. También conducen más corriente y mueven mejor el calor. Pero el uso de vías grandes reduce la superficie libre de la placa. Esto puede dificultar el enrutado cuando el espacio es reducido.
Una regla práctica común es utilizar un tamaño mínimo de taladro de 20 mil, un anillo anular de 7 mil y una relación de aspecto máxima de 6:1. En este caso, la relación de aspecto es el grosor de la placa dividido por el diámetro del taladro. En este caso, la relación de aspecto es el grosor de la placa dividido por el diámetro del orificio. Si te mantienes dentro de estos valores, la vía será más fácil de hacer y será más fiable para muchos usos.
Calor y estrés mecánico
Cuando una placa de circuito impreso se calienta durante su procesamiento o uso, las diferencias en el coeficiente de expansión térmica (CTE) entre el cobre y el laminado pueden crear tensiones. La estructura laminada de la placa de circuito impreso limita la dilatación en el plano de la placa, pero ésta puede encogerse o crecer más libremente a través del grosor. Esto significa que la dirección vertical puede sufrir más cambios.
Por ejemplo, un laminado fr4 se expande o encoge unas cuatro veces más rápido que el cobre. Cada vez que la placa se calienta, el tubo de cobre de la vía sufre una gran tensión. Si el barril de cobre no es lo suficientemente grueso, y si el PCB es grueso, la placa puede expandirse hasta romper el cobre. Para una perforación de 20 mil, un diámetro de pad de 34 mil funciona bien. Con este pad y un buen grosor de barril, un grosor máximo de placa de 120 mil es una práctica razonable para la fiabilidad.
La mecha de la soldadura y sus efectos
La ubicación de una vía es tan importante como su tamaño. Colocar una vía demasiado cerca de un pad puede causar problemas de soldadura. El principal problema es la absorción de la soldadura.
Cuando se calienta pasta de soldar en una vía y una almohadilla, la acción capilar arrastra la soldadura de la almohadilla al barril de la vía. La soldadura se desplaza a través de la vía y se acumula en la parte inferior. Esto deja el pad con muy poca soldadura o sin soldadura en absoluto. Una vía más grande absorberá la soldadura más rápidamente y en mayor cantidad. Una unión con muy poca soldadura puede ser débil mecánicamente y tener mayor resistencia eléctrica.
A continuación se describen tres formas habituales de detener la mecha de soldadura. Cada una de ellas puede funcionar bien.
- Presa de máscara de soldadura:
Coloque una capa de máscara de soldadura entre la vía y la almohadilla. La máscara actúa como barrera y mantiene la soldadura fuera de la vía. Para colocar una presa de máscara lo suficientemente ancha, es posible que los diseñadores tengan que alejar la vía del pad. Si la placa ya es densa, o si transporta señales de alta frecuencia, puede que no sea posible desplazar la vía. - Tentando la vía:
Si no puede mover la vía o añadir un dique de máscara, puede cubrir la vía. Tapar significa cubrir la vía con máscara de soldadura de modo que la parte superior de la vía quede completamente sellada. Sellar completamente una vía puede impedir que la soldadura fluya hacia ella. Pero también impide que la vía se utilice como punto de prueba. Además, los contaminantes pueden entrar en una vía cubierta con el tiempo y corroer el barril de cobre si la cubierta no es perfecta. - Llenar la vía:
Puede rellenar completamente una vía antes de metalizarla. El relleno puede ser conductor o no conductor. Una vía rellenada y completamente sellada constituye una mejor barrera contra los contaminantes. El relleno también reduce el riesgo de que la soldadura se filtre durante el montaje. Las vías rellenas son habituales cuando se necesita una superficie plana para el ensamblaje, por ejemplo bajo BGAs, o cuando se necesita un mejor rendimiento térmico o mecánico.
Cuándo utilizar cada método
- Utilice un dique de máscara de soldadura cuando pueda mover la vía un poco y la placa tenga espacio. Es una solución barata y funciona en muchas placas.
- Utilice el tendido cuando el espacio sea reducido y pueda aceptar que la vía no sea un punto de prueba. La colocación de carpas es más barata que el relleno, pero tiene limitaciones en cuanto a la protección a largo plazo contra la humedad y la contaminación.
- Utilice vías rellenas cuando necesite el mejor resultado. Las vías rellenas cuestan más, pero ofrecen una parte superior plana para el montaje y evitan la entrada de soldadura y contaminantes. Si va a fabricar muchas placas o si la placa debe durar mucho tiempo en condiciones difíciles, el relleno es una buena opción.
Otros factores de fiabilidad
Las vías también pueden afectar a otras partes del diseño. Por ejemplo, pueden modificar las rutas térmicas y crear puntos de concentración de tensiones. Cuando una vía está cerca de un alivio térmico o una fuente de calor, cambia la forma en que el calor fluye en la placa. Esto puede afectar a la vida útil de los componentes y a la refrigeración de las piezas.
Las vías cerca de trazas de alta velocidad o trazas de RF también pueden causar cambios de impedancia. El barril de la vía y la almohadilla de la vía añaden capacitancia e inductancia. Los diseñadores deben comprobar la integridad de la señal cuando las vías se encuentran en rutas críticas. IDH y las microvías ayudan aquí porque son pequeñas y tienen menos impacto en las señales de alta velocidad cuando se colocan correctamente.
Cuando construya una placa para un producto que vaya a sufrir muchos ciclos térmicos, o para un producto que deba superar estrictas pruebas de fiabilidad, planifique cómo se comportarán las vías con el paso del tiempo. Utilice revestimientos más gruesos siempre que pueda. Utilice microvías apiladas o escalonadas en los diseños HDI para reducir la tensión en un solo barril. Utilice almohadillas del tamaño adecuado para que la placa no sobrecargue el cobre durante el reflujo o los ciclos térmicos.
Para IDH y placas flexibles
Tarjetas HDI y PCB flexibles utilizan mucho las microvías. Las microvías son pequeñas y tienen baja inductancia. Esto ayuda con la alta velocidad y los diseños densos. Cada microvía suele llegar sólo a una capa interior. Los fabricantes utilizan taladros láser para fabricarlas. Pueden apilar microvías para conectar varias capas en un área pequeña. Las microvías apiladas actúan como vías ciegas o enterradas cuando se apilan, y pueden ayudar a mantener abierto el espacio de trazado en otras capas.
En las placas flexibles, la flexión mecánica cerca de las vías puede dañar el cañón si la vía no se coloca correctamente. En las zonas de flexión, intente mantener las vías fuera de las líneas de flexión principales. Utilice diseños especiales de vías y manipulación de materiales para reducir el riesgo de grietas cuando la placa se doble.
Normas y ejemplos prácticos
- Taladro mínimo: 20 mil. Se trata de un mínimo común para la producción estándar. Los taladros más pequeños necesitan procesos especiales y cuestan más.
- Anillo anular: 7 mil. Esto proporciona suficiente cobre alrededor del orificio para una conexión fiable y para soldar.
- Relación de aspecto: límite de 6:1. Esto mantiene la calidad del chapado alta. Si la placa es más gruesa que el valor recomendado para el tamaño del agujero, el chapado del barril puede ser fino y puede fallar.
- Ejemplo: si la broca es de 20 mil, utilice un diámetro de almohadilla de unos 34 mil. Esto proporciona suficiente anillo anular. Para una placa de hasta 120 mil de grosor, esta combinación es viable en muchas fábricas.
Mantenga estas normas como puntos de partida. Cada fábrica puede tener límites ligeramente diferentes. Habla con tu fabricante de placas con antelación para que puedas adaptar las opciones de diseño a lo que pueden hacer de forma fiable.
Consideraciones sobre el montaje y las pruebas
Si utiliza tenting o relleno, piense en las pruebas. Las vías con relleno no pueden actuar como puntos de sondeo. Las vías rellenas que están recubiertas pueden ser comprobables si el relleno y el recubrimiento superior se manipulan correctamente durante la producción. Si las pruebas son importantes, planifique almohadillas de prueba, vías de prueba u otras estrategias de prueba que se adapten a su proceso de montaje.
Cuando coloque una vía cerca de un punto de soldadura, tenga en cuenta el proceso de soldadura. Si utiliza muchas vías debajo de un BGA grande, considere la posibilidad de rellenar y revestir las vías y hacer que el BGA aterrice sobre una superficie plana. De este modo se reduce la posibilidad de que queden huecos de soldadura y se facilita la dispersión térmica.
Limpieza y corrosión
Las vías pueden atrapar fundente, humedad y otros contaminantes. Esto se agrava si las vías no son perfectas o si se utilizan como vías térmicas que permiten la entrada y salida de humedad durante los ciclos térmicos. Realice una buena limpieza tras el montaje cuando el diseño lo necesite. Utilice materiales y acabados fiables que resistan la corrosión en el entorno previsto. Las vías rellenas ayudan a evitar la entrada de contaminantes.
Conclusión
Las vías son necesarias en las placas de circuito impreso multicapa. Permiten colocar más piezas y enrutar redes complejas. Pero las vías también modifican el comportamiento de la soldadura y añaden puntos de tensión mecánica y térmica. Estos riesgos pueden reducirse con unas buenas normas de diseño y tomando las decisiones adecuadas al principio del proyecto.
Los diseñadores deben estudiar la fiabilidad desde el principio. Un estudio de fiabilidad aumenta las posibilidades de éxito, reduce los costes a lo largo de la vida del producto, acorta el tiempo de comercialización y mejora la satisfacción del cliente. Para hacer un buen diseño de fiabilidad se necesitan las personas adecuadas, las herramientas adecuadas y tiempo suficiente. Planifique los tipos, tamaños, ubicación y tratamiento de las vías con el fabricante y la empresa de montaje. Utilice diques de máscara de soldadura, tenting o rellenado de vías cuando cada método sea adecuado. Utilice microvías para diseños HDI y flexibles cuando sea necesario.
