Tipos de Vías: Guía Completa para Interconexiones en PCB

En dispositivos electrónicos y de computación, la circuitería es conducida por una diminuta placa verde que transfiere varias señales desde las indicaciones de control y hacia la pantalla. En cada smartphone, por ejemplo, se puede encontrar una placa de circuito impreso (PCB) en el interior con varios chips y componentes que conducen las señales para miles de diferentes características y comandos. Cada vez que pulsa una de las indicaciones en la pantalla táctil, está activando una de las señales en la placa interna. La mayoría de estas señales se conducen a través de vías de PCB.

Ir a: ¿Qué es una Vía? | Principales Tipos de Vías | Cómo Determinar los Requisitos de Vía Adecuados para su PCB

¿Qué es una Vía?

En una placa de circuito impreso, las vías son orificios que pasan a través de las capas de la placa con el propósito de conductividad. Cada orificio funciona como un camino conductor a través del cual se pasan señales eléctricas entre capas de circuito. Las vías viajan a través de niveles variables en una placa de circuito impreso. Dependiendo del diseño del PCB, la placa podría requerir un orificio que pase a través de todas las capas de arriba a abajo. Alternativamente, algunas vías penetran solo la capa superior o inferior, y algunas se colocan a través de una capa interna. Hay varias opciones cuando se trata de vías en una placa de circuito impreso.

Las vías se encuentran entre las características más cruciales en una placa de circuito impreso. Consecuentemente, representan una parte considerable del costo involucrado en la fabricación de la placa.

A pesar de que estos diferentes tipos de vías sirven el mismo propósito básico, un tipo particular de vía será más adecuado que otros en ciertos diseños de PCB. Este artículo cubre los diferentes tipos de vías en el diseño de PCB y cómo cada uno puede facilitar una conexión eléctrica en una placa de circuito impreso.

Principales Tipos de Vías

Hay dos categorías primarias de vías, dependiendo de dónde se encuentren en las capas del PCB — el orificio ciego (blind hole) y el orificio enterrado (buried hole).

En un orificio ciego, el orificio penetra la capa superior o inferior de la placa pero se detiene antes de cualquiera de las capas internas. Los orificios ciegos se nombran así porque no se puede ver a través de ellos cuando sostiene una placa contra la luz. El proceso involucrado con la creación de orificios ciegos puede ser difícil porque debe saber cuándo dejar de taladrar en la placa. Como tal, muchos fabricantes de PCB evitan el plateado de orificios de este tipo.

Otro tipo de vía es el orificio enterrado, que puede aparecer a través de una o más capas internas. Dado que el orificio enterrado está entre capas, no puede ser visto a simple vista. Para que una placa multicapa tenga una capa ciega, el plateado del orificio en la capa interna debe completarse temprano durante el ensamblaje del PCB, antes de que se apliquen las capas superior e inferior a la placa.

Dondequiera que se coloque la vía, es probable que sea uno de tres tipos principales:

• Through-hole (orificio pasante)
• Via-in-pad (vía en pad)
• Microvía (microvia)

1. Through-Hole (Orificio Pasante)

El tipo más obvio de vía es el orificio plateado pasante (plating through-hole), que penetra todas las capas en una placa multicapa. Los orificios pasantes son típicamente más grandes que los orificios ciegos y enterrados y también son mucho más fáciles de identificar a simple vista. Cuando sostiene una placa contra la luz, la luz atravesará directamente un orificio plateado pasante. Los orificios pasantes también son más fáciles de hacer porque simplemente puede taladrar a través de todas las capas, a diferencia de los orificios ciegos, donde debe tener cuidado de qué tan profundo hace el orificio.

La tecnología through-hole ha existido desde mediados del siglo XX cuando reemplazó la construcción punto a punto. Los orificios pasantes fueron más comunes entre los años 1950 y 1980 cuando casi todas las características encontradas en una placa de circuito impreso estaban conectadas a un orificio pasante.

En los primeros días de la tecnología through-hole, los PCB tenían sus pistas impresas solo en el lado superior. A medida que la tecnología avanzó, la impresión apareció en ambos lados. Eventualmente, las placas multicapa entraron en uso. En este punto, los orificios pasantes se actualizaron a orificios pasantes plateados para permitir contactos entre capas conductoras. Hoy, los orificios pasantes plateados se usan para conectar las diferentes capas en un PCB. Los orificios pasantes se usan usualmente para facilitar componentes con terminales de alambre. Los componentes de terminal axial se colocan a través de estos orificios y se usan para conectar a través de espacios cortos.

Los orificios pasantes a menudo se pueden ver en las grandes placas base (motherboards) que se usaban en torres de computadoras durante los años 1990 y 2000. Los PCB con componentes through-hole también se podían ver en las antiguas tarjetas de interconexión de componentes periféricos (PCI) que se enchufaban en estas motherboards más antiguas. Por ejemplo, las tarjetas de sonido que se conectaban a ranuras PCI dentro de la torre típicamente presentaban componentes que estaban conectados a la placa en orificios pasantes. Características similares se podían encontrar en tarjetas gráficas en las computadoras antiguas que preceden a los dispositivos actuales de pantalla plana todo en uno.

Con la creciente popularidad de dispositivos informáticos y electrónicos móviles pequeños y compactos, los PCB se están diseñando con pocos, o ningún, componente through-hole. Como tal, hay pocas razones restantes para que los diseñadores de PCB continúen usando placas que contienen orificios pasantes grandes, ya que estos consumen mucho espacio en una placa que podría usarse de manera más eficiente con microvías. De hecho, para que los diseñadores mantengan sus placas pequeñas, las microvías y montajes superficiales deberían usarse tanto como sea posible. A medida que la tendencia continúa, los orificios pasantes probablemente serán eliminados por completo en los próximos años.

2. Via-in-Pad (Vía en Pad)

Uno de los diseños más populares de hoy para placas de circuito impreso involucra la aplicación de vías en pads de matriz de bolas (BGA), alternadamente conocido como via-in-pad. En el diseño via-in-pad, las vías se colocan en los pads BGA del PCB. El diseño se ha vuelto popular porque hace posible que los fabricantes minimicen la cantidad de espacio requerido para las vías. Como tal, via-in-pad permite a los fabricantes hacer placas de circuito impreso más pequeñas que requieren menos espacio para enrutar señales. Via-in-pad es una tecnología óptima para los dispositivos electrónicos y de computación compactos de hoy, que los fabricantes han diseñado para caber en bolsillos y a veces alrededor de muñecas.

El diseño via-in-pad es especialmente conveniente para el enrutamiento porque los orificios se conectan directamente a la capa que subyace al componente, haciendo posible enrutar señales sin el riesgo de salir del perímetro de la huella del dispositivo.

Sin embargo, no todos los fabricantes han adoptado la práctica de colocar vías en pads BGA. Uno de los principales inconvenientes para algunos fabricantes de PCB es que debe rellenar el pad con cobre puro o algún material no conductor cubierto con cobre. De lo contrario, la soldadura sangrará fuera del pad y causará que el PCB pierda su conectividad.

Otro factor prohibitivo para algunos fabricantes es el hecho de que las vías requieren un paso adicional que a menudo puede ser costoso y consumir tiempo. Algunos diseñadores simplemente no desean añadir al costo de la creación de PCB. Además, cuando coloca vías en un pad, altera el diámetro de taladro requerido.

A pesar de estos problemas, hay varias ventajas de colocar vías en pads BGA. Los costos aparte, puede hacer placas más pequeñas con via-in-pad y, en última instancia, hacer dispositivos más pequeños. Para ciertos dispositivos modernos y móviles, el diseño via-in-pad podría ser su única opción.

En un layout de vía estándar, la máscara de soldadura puede aplicarse para detener el flujo de soldadura hacia la vía. Con el diseño via-in-pad, no puede dejar el cañón libre de relleno porque el aire podría quedar atrapado, causando desgasificación (out-gassing) mientras el PCB está en producción. Por lo tanto, las vías necesitan ser rellenadas cuando se colocan en pads BGA. Para que el diseño funcione, también debe tener una superficie plana planar, ya que esto hará posible conectar BGAs de paso fino con pocas, o ninguna, complicación.

Las vías en pad pueden rellenarse con epoxi. Esto debe hacerse después de los pasos de taladrado y plateado. Otra opción es rellenar las vías con cobre. Esto funcionaría si las vías son ablacionadas por láser. Cualquiera que sea el método que elija, necesitará asegurarse de que el pad sea lo suficientemente grande para el diámetro del orificio y también tenga tolerancias suficientes. Además, el diseño necesitaría cumplir con los estándares IPC Clase 2 y 3.

Si aún duda si via-in-pad sería la mejor opción que un layout de vía estándar, debería hablar con un fabricante de PCB para ver cómo la tecnología más nueva ha transformado sus placas.

3. Microvías (Microvias)

En el diseño de PCB, las vías que están por debajo de 150 micrones se conocen como microvías, que se usan en muchas placas de interconexión de alta densidad (HDI). Los diseñadores prefieren las microvías debido al pequeño tamaño del orificio, que consume mucho menos espacio en la placa que los orificios que requieren más taladrado. En una microvía, las capas se conectan entre sí con plateado de cobre.

Las microvías se crean en forma de conos, lo que hace fácil que los lados de la vía sean plateados con cobre. Una microvía puede pasar a través de dos capas adyacentes pero no más allá. Si un diseño de placa requiere una vía a través de múltiples capas, múltiples microvías necesitarían apilarse en consecuencia.

Desde un punto de vista de fabricación, crear microvías apiladas puede ser un proceso costoso y que consume tiempo. En placas que requieren una microvía sobre otra, el diseño más común presentará dos microvías. En cuanto al apilamiento, el límite máximo es cuatro microvías. Sin embargo, cuatro microvías rara vez se aplican en la fabricación de PCB debido a los altos costos.

Una opción alternativa a la microvía apilada es la microvía escalonada (staggered microvia), que se configura como una escalera donde una segunda o tercera microvía se coloca un paso adelante debajo de la de arriba. Al igual que con las microvías apiladas, las microvías escalonadas pueden ser difíciles y costosas de producir en un PCB multicapa.

Si una microvía entra a través de la capa externa de la placa y corta a una capa interna antes de detenerse, eso calificaría como una microvía ciega (blind microvia). Con una microvía ciega, puede aumentar la densidad del cableado en una placa de circuito impreso. Las microvías ciegas son especialmente ventajosas si una señal en la capa externa debe enrutarse a una capa subyacente, ya que la microvía ciega ofrecerá la distancia más corta. En una placa HDI, las microvías ciegas hacen posible optimizar el espacio en una placa multicapa, como en un PCB con cuatro capas donde la microvía podría colocarse en las dos capas superiores o las dos inferiores.

En algunos casos, una microvía penetrará dos capas completas. Las vías ciegas que encajan en esta descripción se conocen como vías de salto (skip vias). Sin embargo, las vías de salto no son recomendadas por los fabricantes porque la naturaleza del orificio puede resultar en complicaciones con el plateado.

Una microvía que conecta dos capas internas en un PCB se conoce como microvía enterrada (buried microvia). Para que una microvía enterrada sea incluida en un diseño de PCB, las capas que contienen los orificios deben taladrarse primero antes de que se apliquen las capas externas. Con una microvía enterrada, puede conectar dos capas internas en una placa de circuito impreso. El taladrado puede lograrse con una herramienta mecánica o, alternativamente, con un láser.

Cuando coloca una microvía en un PCB, es crucial prestar atención a la relación de aspecto del tamaño del orificio; de lo contrario, podría ser imposible platear la placa correctamente.

Cómo Determinar los Requisitos de Vía Adecuados para su PCB

El tipo de vías que elija para un diseño de PCB debe basarse en el tamaño y propósito de la placa. Si la placa se hace para uso en un dispositivo informático más antiguo y grande, probablemente necesitará un diseño de PCB que se ajuste a estándares más antiguos, ya que cualquier cosa más nueva probablemente sería incompatible con el dispositivo en cuestión. Para algunos de estos dispositivos más antiguos, su única opción sería probablemente un PCB más grande con componentes through-hole.

Si está diseñando un PCB para un dispositivo más pequeño, realmente no hay razón para usar componentes through-hole ya que necesitará maximizar la pequeña cantidad de espacio en la diminuta placa que cabría en el dispositivo. Por ejemplo, si su diseño de PCB es meramente una pulgada cuadrada de tamaño, no tendrá el espacio necesario para un orificio pasante grande ya que habrá demasiadas señales para conducir en la pequeña cantidad de espacio permitida. Una placa de ese tamaño estaría mucho mejor servida con microvías ciegas, que podrían pasar señales potentes entre distancias cortas en una placa del tamaño de un pulgar.

Admitido, el proceso de hacer un PCB más pequeño con microvías probablemente requerirá más inversión debido al trabajo que tales placas implican. Sin embargo, las ventajas de estas placas más pequeñas pueden pagar fácilmente la inversión, especialmente si está comercializando un dispositivo nuevo e innovador que podría convertirse en un gran vendedor.

Productos y Servicios de PCB de Millennium Circuits

Cuando se trata del diseño de placas de circuito impreso, hay una variedad de vías para elegir, como microvías ciegas y enterradas. En los PCB más pequeños de hoy, las microvías hacen posible equipar un dispositivo con numerosas características y también ofrecen velocidades y poder de procesamiento que superan las capacidades de rendimiento de los componentes through-hole más voluminosos que eran comunes hace 20 años. Para producir los diseños de PCB más compactos y óptimos, es crucial tener un equipo que pueda poner estas piezas juntas. Contacte a Millennium Circuits para una cotización de productos y servicios de PCB.