PCB Multicapa Explicados: Guía Definitiva sobre Capas de Circuito Impreso

En Multilayer Pool, los Circuitos Impresos (PCB) tienen variedad de capas distintas. Las capas pueden confundir a quienes no están del todo familiarizados con el nicho.

La mayoría de prototipos PCB rápidos son de 2 capas. Sin embargo, muchos dispositivos electrónicos no se limitan a placas de doble capa. Requieren placas más avanzadas y finas.

Este artículo le ayudará a entender mejor las capas de PCB y cómo funcionan.

Qué Son las Capas de PCB

1.1 Definición de Capas PCB

Los PCB tienen significados distintos según el mensaje a transmitir. Respecto a capas PCB, también descritas como capas de cobre dadas en cierta cantidad y orden.

Las capas de cobre pueden llamarse capas de señal o simplemente capas. Las capas PCB se nombran por su posición y funciones. Los PCB se clasifican según número de capas de cobre.

Placas con una o dos capas se denominan PCB 1 capa o PCB simple cara, y PCB 2 capas o doble cara, respectivamente.

Tipos comunes de capas PCB:

1. Capa Mecánica (Mechanical Layer)
2. Capas Superposición / Serigrafía (Overlay / Silkscreen Layers)
3. Capas Ruteo (Routing Layers)
4. Capas Máscara Soldadura (Solder Mask Layers)
5. Capas Pasta Soldadura (Solder Paste Layers)
6. Capa Keep Out (Keep Out Layer)
7. Planos Tierra y Alimentación (Ground Planes and Power Planes)
8. Planos Divididos (Split Planes)

No todo PCB tiene todas las capas enumeradas. Los detalles de su diseño determinan la necesidad de varios tipos. Placas monocapa suelen tener seis tipos: mecánica, keep out, ruteo, superposición, máscara soldadura, pasta soldadura.

En PCB multicapa, tienen esas seis capas, más combinación de planos de alimentación, tierra, y capas de ruteo adicionales.

PCB de 2, 4 y 6 capas son los más comunes; no es inusual tener PCB con más de 12 capas.

1.2 Capa Mecánica

Aunque pueda tener varias capas mecánicas, necesita al menos una para construir su placa. La capa mecánica básica define dimensiones físicas de su placa.

También conocida como Mecánica 1. Es la capa que el fabricante usará para recortar el circuito de su material.

Los PCB pueden ser tan simples como una sola capa de ruteo delineando dimensiones físicas, o tan complejos como placa con muchas capas, incluyendo todas las mencionadas.

Considerada por separado, cada capa tiene función particular y meramente. Entender el propósito de cada capa hace la construcción de PCB extremadamente simple, sin importar complejidad.

Este marco puede ser rectángulo simple, forma compleja con esquinas curvas y/o recortes.

Aunque raro, más capas mecánicas se incluyen especificando especificaciones de utillaje e info automática adicional. Estas capas extra no son requeridas para la mayoría de PCB.

Stack-up de Capas (Distinguir de Capas PCB)

2.1 Qué es Stack-up de Capas

El stack-up es la colocación adecuada de un tipo de capa. Los PCB se categorizan generalmente en tres:

• Monocapa.
• Doble capa.
• Multicapa.

Estos términos describen el número de capas de cobre en un PCB. Multicapa describe los de más de dos capas: 4, 6, 8.

En multicapa, superior e inferior son capas externas; las intermedias son internas. La complejidad en fabricación de multicapa los hace más costosos que doble o monocapa.

En stack-up, considere:

• Material sustrato.
• Orden de capas PCB.
• Grosor de cobre.

Diferentes diseños tienen diferentes stack-ups que les convienen. El stack-up es esencial en funcionamiento de PCB.

Problemas si stack-up no está bien planificado:

• Diafonía (crosstalk) de señales.
• Acoplamiento.
• Sobreimpulso (overshoot).
• Subimpulso (undershoot).
• Interferencias electromagnéticas.
• Disipación de señal.

Para evitar estos y más problemas, es vital tener stack-up bien planificado. Ahorra mucho diseñar stack-up eficiente, previniendo posibles problemas por diseño inadecuado.

En stack-up, además del orden de capas, se consideran material sustrato, grosores de cobre.

Diferentes stacks para diferentes diseños. Un stack-up bien planificado asegura mejor rendimiento: disminuye interferencias electromagnéticas, diafonía, acoplamiento, sobre/sub impulso, disipación señal.

Diseño completado y calificado a la primera reduce costes y tiempo de ciclo. Posible si se eliminan problemas de integridad de señal antes de surgir.

En figura 1 se muestran dos esquemas stack-up 8 capas que enfatizan el cambio de orden de capas.

Además de capas señal, planos de potencia también juegan papel vital en desarrollo exitoso.

Señales, digitales o analógicas, pueden rutear por líneas microstrip o stripline que reducen diafonía y mejoran integridad de señal.

Señales baja frecuencia se rutear en capas internas; alta frecuencia en externas.

Buena práctica: colocar plano tierra adyacente a cada capa señal; pero para reducir stack-up y coste, plano tierra tras cada dos capas señal. Planos potencia también adyacentes a planos tierra para acoplamiento estrecho.

Planos potencia se dividen en más de una parte si hay múltiples rieles de alimentación. Grosor PCB estándar 1,6 mm, pero difícil mantener 1,6 mm con más de 12 capas.

En figura 2 se describe esquema stack-up PCB 10 capas.

2.2 Distinguir Capas PCB de Stack-up

Aunque parezcan lo mismo, no lo son. Stack-up es la colocación adecuada de un tipo de capa.

Capas PCB se refieren a capas de cobre dadas en cierta cantidad y orden. Stack-up se ocupa de planificación de capas; capas PCB de cantidad y orden.

Tipos de Capas PCB

3.1 PCB 1 Capa

También llamada PCB monocapa, se imprime por un lado; implica que lámina PCB está en un lado con material conductor, mientras en el otro se conectan componentes.

Al principio, todos los PCB se diseñaban manualmente; ahora software especializado como Eagle PCB permite crearlos via ordenadores.

PCB monocapa vienen en tipos:

• PCB Flexibles: Material flexible en vez de rígido (plásticos). Coste producción alto, poco económico.
• PCB Rígidos: Material rígido (fibra de vidrio). No flexibles, no permiten doblar circuito. Comunes en calculadoras, fuentes, etc.
• PCB Alta Frecuencia: Circuitos requieren frecuencias muy altas. Factores: expansión térmica, absorción agua, pérdida dieléctrica.
• PCB Rígido-Flex: Combinación plástico y fibra vidrio en una capa. Reduce tamaño y peso.
• PCB con Base Aluminio: Material aluminio. Diseño similar a cobre, solo cambia material.

PCB monocapa son simples, pero no deje que su simplicidad engañe: logran mucho en dispositivos complejos. Funciones:

• Circuitos radio y estéreo.
• Cámaras digitales.
• Fotocopiadoras e impresoras.
• Calculadoras digitales.
• Máquinas expendedoras.

Ventajas:

• Fáciles de diseñar.
• Fáciles de instalar.
• Rentables.
• Fácilmente comprensibles.
• Baja probabilidad cortocircuito.
• Más fiables y eficientes.

3.2 PCB 2 Capas

También llamada doble capa o doble cara. Hecha de sustrato FR-4 epoxi vidrio laminado con fina lámina cobre en ambos lados. Diseño más simple y económico.

Fácil fabricación por fábrica profesional (ej. wellpcb.com) y en casa. Solo capas cobre superior e inferior.

Diseño simple y económico. Fabricable en casa con software adecuado. Hecho mayormente por empresas prototipado PCB.

Capas PCB en este diseño: principalmente capa señal (superior) e inferior (componentes). Componentes doble capa:

• Traza (Trace).
• Pads.
• Capas PCB: seda, superior, inferior.
• Máscara soldadura.

Aplicaciones:

• Iluminación: LED lights.
• Dispositivos médicos: marcapasos, máquinas CAT.
• Automoción y aeroespacial: ambos usan PCB doble cara extensamente.

Ventajas:

• Simplifican tendido de pistas.
• Permiten mayor grosor en segmentos.
• Mejor disipación térmica.

3.3 PCB 4 Capas

Cuatro capas cobre. Superior e inferior son ruteo; dos intermedias son planos potencia y tierra.

Entre capas cobre están Núcleo (Core) y Prepreg. En fabricación, todos se unen (sándwich) por laminado bajo alta temperatura y presión para mantener stack-up unido.

Puede contener vías through, ciegas (blind) y enterradas (buried). Para 4 capas, vía enterrada solo entre capa 2 y 3; ciegas entre superior (1) y 2, o inferior (4) y 3.

Stack-up típico: potencia y tierra para dos capas internas, señales en externas. Suele rutear las dos capas señal perpendicularmente.

No tan crítico si capas separadas por potencia/tierra, pero si señales en capas adyacentes, importante minimizar diafonía.

Numeración: usual 1 a n, desde superior a inferior. Convención; usted da info stack-up al enviar archivos para producción.

En fabricación de PCB 4 capas, coste puede ser útil si tiene planta.

3.4 PCB 6 Capas

Diseño inmune y silencioso. Razones por las que 6 capas es ventajoso:

• Trazado entre capa 3 y 1 no requiere tratamiento especial.
• Cada traza tiene proximidad a tierra.

3.4.1 Plano Referencia

Plano referencia usado para transferir corriente retorno. En diseño 4 capas, capa 1 tiene retorno alta frecuencia en capa 2, y capa 4 en capa 3; no diferencia con 6 capas.

Al mover planos referencia cerca de capas ruteo/señal, reduce área bucle que determina emisiones radiadas y susceptibilidad en alta frecuencia.

Factores que hacen funcionar bien stack 6 capas:

1. Proximidad a tierra de cada traza.
2. Proximidad planos tierra y potencia creando capacitancia planar.
3. Trazado entre capa 3 y 1 sin tratamiento especial.
4. Plano referencia capa 4 más alto que distancia a capa 2.

3.4.2 Diseño Común Stack-up 6 Capas

Mejor diseño 6 capas requerirá stitching (punteado) para conectar dos planos tierra en PCB, que deben devolver corriente a planos referencia. Algunos dicen que planos tierra extra ayudan blindaje contra emisiones e inmunidad.

3.4.3 Cortes en Planos PCB Matan EMC

Cortes en planos devastan EMC en emisiones y susceptibilidad. Cortes o huecos: cuando plano potencia o tierra tiene corte intencional o no a través de porción. Distintos tamaños y formas.

Camino retorno corriente en plano está a pocos miles de pulgadas; en buenos diseños, traza corre adyacente al plano → camino retorno cercano → área bucle pequeña.

Al introducir hueco en capa cobre, debe crear bucle para traza cruzando huecos y cortes. Aumenta área bucle corriente.

3.5 PCB 8 Capas

Placa 8 capas puede añadir dos capas ruteo más o mejorar EMC añadiendo dos planos más.

Porcentaje aumento coste 8 capas sobre 6 es menor que de 4 a 6, facilitando justificar coste por mejor EMC.

Por tanto, la mayoría 8 capas constan de 4 capas cableado y 4 planos.

En general, para 8 capas se necesitan capas alternadas de cobre, prepreg y núcleo. Prepreg actúa como pegamento que combina firmemente stack-up 8 capas en una placa.

Siguiendo reglas para mejorar compatibilidad electromagnética, configuración simple 8 capas sería como se muestra. Importante: PCB 8 capas puede lograr alta integridad señal vs 6 capas o menos.

Puede elegir método diseño stack-up según: número redes señal, densidad dispositivos, densidad PIN, frecuencia señal, tamaño placa. Mayor redes señal → mayor densidad dispositivos; mayor densidad PIN → mayor señal.

Además, para buen rendimiento EMI, mejor asegurar que cada capa señal tenga su referencia.

Ventajas 8 capas:

• Reduce interferencia electromagnética que causa interrupciones.
• Mejora integridad señal.

3.6 PCB Multicapa

3.6.1 PCB 32 Capas

Meramente PCB multicapa de 32 capas. Capas unidas funcionan como un solo PCB. Capas avanzadas requieren habilidades y precisión.

Todo diseño PCB empieza con software. Para 32 capas, se hace stack-up con muchas capas PCB. Posible mediante máquina que sandwich capas.

Razones para elegir 32 capas:

• Sistemas aeroespaciales.
• Campo automotriz.

Técnica Detrás 32 Capas

Para fabricar 32 capas, se construye stack-up con múltiples capas PCB.

Posible sandwiching varios PCB doble capa con capa aislante fibra-epoxi entre cada dos PCB doble capa. Este material aislante también llamado prepreg.

Implica que bloques básicos de cualquier PCB multicapa son PCB doble capa.

Con esta técnica fabricación doble cara y máquinas avanzadas para mayor complejidad, fabricar 32 o incluso 50 capas es perfectamente alcanzable.

Aplicaciones PCB 32 Capas

¿Por qué necesitamos 32 o 50 capas? Una razón obvia: embeber eficientemente toda electrónica necesaria en un PCB pequeño.

Aunque ensamblaje componentes dedicado a capas superior e inferior, es posible tener componentes entre stack-up. Industria aeroespacial destaca en diseños PCB complejos.

En cualquier sistema aeroespacial, objetivo: emisiones electromagnéticas mínimas. Organizar PCB en fase diseño arresta emisiones.

Cada capa dedicada a función específica no conflictiva con otras. Ej: capas medias como planos potencia, superior/inferior para colocación componentes.

3.6.2 PCB Multicapa

PCB multicapa tienen número ilimitado de capas conductoras. Capas aislantes separan las capas. Suelen fabricarse en interior de placas doble cara. Capas exteriores generalmente monocapa.

Fabricantes usan calor y presión para unir cada capa PCB formando una placa. Cualquier PCB con más de dos capas es multicapa.

Su stack-up debe hacerse para que placa completa cumpla necesidades eléctricas señal/potencia y requisitos resistencia mecánica. Diseños profesionales exhiben ~15 dB menos emisiones.

Razones para considerar multicapa sobre monocapa/doble cara:

• Resultan productos alta calidad y fiables.
• Mayor densidad ensamblaje.
• Incrementan funcionalidad.

Precauciones

Al hacer PCB multicapa, debe planificar configuración stack-up. Configuración errónea da interferencia electromagnética no deseada y mala integridad señal.

Aspectos esenciales sobre señal al diseñar multicapa:

• Tipo señales a rutear (distintas frecuencias).
• Subida y bajada señal.
• Retorno suficiente para bucle señal.
• Posible retardo por permitividad – posible cruce y solape.

Multilayer Pool

Circuito con más de dos capas = PCB multicapa. Implica mínimo 3 capas PCB. Laminar materiales no es fácil pero necesario.

Multilayer pool no debe tener aire atrapado entre capas. En fabricación, software Eagle PCB es necesario.

Proceso complicado, empieza con diagrama esquemático. Esquema editado via menú editor en Eagle.

¿Por qué la mayoría de capas PCB son pares? Es más rentable preparar capas pares que impares. Esa es la razón.

4.1 PCB Multicapa

En fabricación multicapa, ambos materiales núcleo y prepreg se usan. Prepreg = no curado, maleable.

Materiales alternativos prepreg y núcleo se laminan juntos bajo alta temperatura y presión, haciendo el prepreg materialmente, y capas se unen tras enfriar resultando placa multicapa dura y sólida.

Ventajas amplias:

• Mayor flexibilidad
• Mayor densidad ensamblaje
• Características impedancia controlada
• Tamaño reducido
• Blindaje EMI
• Elimina necesidad interconectar mazos → reduce peso total

4.2 Proceso Multilayer Pool

Proceso múltiples PCB usa software Eagle en diseño. Procedimiento complicado empieza completando diagrama esquemático. Esquema editado via menú editor en Eagle.

4.3 Multilayer Pool

Tras diseñar y dibujar esquema, siguiente: trabajar layout; traer dimensiones PCB y subirlas a software.

Si usa Eagle, puede elegir cuadrícula apropiada para ayudar a cada capa PCB solaparse. Botón que rutea cada capa por separado según necesidades.

Alternativamente, puede auto-crear multilayer pool con Eagle. Si elige esto, debe verificar componentes, textos, capas, dimensiones.

Use opción comprobación reglas para evaluar layout final.

4.4 Circuitos Impresos Multicapa

PCB multicapa son núcleo de electrónica mundial. Funciones esenciales de componentes y cableado; han hecho nuevos PCB más avanzados y sofisticados.

Dan opciones avanzadas flexibles y variedades extrañas. PCB electrónica simple = monocapa; sofisticados (placas madre) = múltiples capas → multicapa.

Tecnología avanzada permite reducir PCB significativamente.

PCB multicapa = al menos 3 capas lámina cobre. Parecen varios PCB mono/doble cara pegados con calor y aislamiento protector. Dos capas usualmente en superficie PCB.

Conexiones eléctricas en capas via vías: buried vias y plated through-holes; genera PCB complejos en mercado, tamaños variables.

PCB multicapa descubiertos por cambios en electrónica. Uso continuo y función en mundo moderno los hace más complejos.

Inicialmente, PCB tenían problemas: diafonía, capacitancia, ruido. Necesario constraints específicos para limitar problemas.

Consideración diseño: prudente diseñar PCB para alto rendimiento → doble cara, etc. Ese entendimiento llevó a descubrimiento multicapa.

Permitió empaquetar multicapa en tamaños pequeños para necesidades crecientes electrónica.

PCB modernos: capas 4-12. Números pares para reducir issues como warping (alabeo) asociado a impares.

También más rentable producir capas pares vs impares.

Mayoría dispositivos modernos (smartphones, móviles) usan PCB 12 capas. Algunos fabricantes hasta 32 capas.

Aunque fabricación multicapa es laboriosa y cara, se vuelven importantes en mundo moderno.

Razón: vienen con host de beneficios vs doble o monocapa.

4.5 Ventajas PCB Multicapa

Pequeños: mejor característica. Menores que mono/doble capa → gran beneficio tendencias actuales.

Más compactos, robustos, aplicados en portátiles, smartphones, tablets. Ligeros.

PCB pequeños menos pesados: no usan múltiples conectores que requieren interconectar doble/mono capa. Aumenta movilidad dispositivos.

• Alta calidad. Crear multicapa requiere planificación y organización → productos mejores calidad vs mono/doble. Más fiables.

• Mayor durabilidad. Resisten mucho peso, calor y presión en unión. Múltiples capas aislamiento entre capas individuales y agente unión prepreg aumentan durabilidad.

• Altamente flexibles. Ensambladores PCB con técnicas flexibles terminan con multicapa flexibles: deseable para áreas requerir flexión/doblado. Pero más capas = menos flexible.

• Más potentes. Incorporan muchas capas en unidad PCB. Permiten board más conectivo → mayor velocidad y capacidad aunque pequeño.

• Punto conexión único. Multicapa trabajan como unidad singular → siempre un solo punto conexión, no caso con varios mono/doble capa. Gran beneficio mundo electrónico: minimiza tamaño y peso.

4.6 Desventajas

1. Aunque hablamos beneficios, vienen con problemas.
2. Costosos vs monocapa por proceso fabricación complicado y tiempo extenso. Aumenta coste mano obra → precios altos.
3. Más difíciles fabricar, requieren más tiempo y técnicas avanzadas que monocapa; cualquier pequeño fallo los inutiliza.
4. Suministro limitado: necesitan maquinaria cara → pocos fabricantes pueden producirlos → producción limitada.
5. Requieren diseño extenso e interconexión entre capas, mitigar impedancia y diafonía. Un error → placa no funciona.
6. Fabricación requiere mucho tiempo y horas-persona → difícil entregar pedidos en plazos.

4.7 Comparación Multicapa vs Monocapa

1. Alta densidad y mayor funcionalidad: capas aumentan capacidad y velocidad.
2. Tamaño reducido: adición capas aumenta superficie → alta capacidad PCB vs monocapa.
3. Ligeros: requieren menos conectores, usan en aplicaciones eléctricas complejas.
4. Multicapa tienen funcionalidad mejorada vs monocapa: blindaje EMI, impedancia controlada, más features pese a tamaño pequeño.

4.8 Aplicaciones

PCB multicapa sirven para cualquier uso y son opción preferida por usarse en todas tecnologías.

En casi toda electrónica: smartphones, microondas, electrodomésticos. Relojes inteligentes y móviles por ser pequeños y mayor funcionalidad.

Electrónica informática: placas madre, servidores. Ahorro espacio facilita aplicación amplia en tecnología.

Telecomunicaciones: GPS, transmisión señal, satélites. Duraderos → torres exteriores y móviles.

Industria: vitales por tamaño pequeño y duraderos. Control industrial, maquinaria.

Medicina: equipos diagnóstico y tratamiento. Pequeños, ligeros → monitores cardiacos, rayos X, pruebas médicas, CAT scan.

Militar: circuitos alta velocidad → aplicaciones militares. Dispositivos requieren movimiento aumentado.

Automoción, especialmente coche eléctrico: GPS, interruptores faros, sensores motor. Pequeños, duraderos, resistentes calor → entorno automóvil.

4.9 Tecnología Multilayer Pool

Tecnología permite producir placas calidad, clave para militar, comunicaciones, campos que dependen multicapa.

Permite fabricar PCB con materiales: flex, Teflon, poliamida, cumpliendo necesidades PCB.

4.10 Switch Multilayer Pool

PCB vital en fabricación dispositivos red informática como switch multicapa que da funciones extra: capacidad enrutamiento. Switch prioriza paquetes e implementa QoS servicios diferenciados en hardware.

4.11 Condensador Cerámico Multicapa (MLCC)

Conocidos como MLCC, bloques construcción electrónica moderna. MLCC >30% componentes en módulo híbrido.

Consisten en bloque cerámico monolítico con electrodos en extremos superficie bloque cerámico formando contacto por capa metálica quemada.

Tipos

MLCC vienen en tipos: tolerancia, capacitancia, dieléctrico, tamaño caja, etc. Valores varían; comunes 10 nF a 1 µF. Tensión nominal 16 V a 100 V.

Con avance tecnología, más PCB multicapa producidos. Aplicaciones en investigación y ciencia. Seguridad, alarmas, sensores fibra óptica.

Equipos análisis meteorológico, aceleradores atómicos. PCB multicapa volviéndose ligeros, compactos, ahorran espacio.

Grosor Capas PCB

Distintas capas PCB tienen grosor distinto según aplicación. Ejemplos:

• Placas 11 capas: 20 x 14 dimensiones salvo especs adicionales.
• Placas 6 capas: grosor 0,031, 0,040, 0,047, 0,062, 0,125 pulgadas.
• Placas 8 y 10 capas: grosor 0,062, 0,093, 0,125 pulgadas.

Grosor estándar pooling para PCB multicapa es 1,55 mm. Medida estándar no es real para todos pero referencia en construcción.

Ordenación Capas PCB

Capas PCB se ordenan. Proceso organización:

• Elegir número inicial capas. Seleccione capas que convengan a necesidad. Prototipo casero: 1-2 capas útil. 4 capas: placas simples/baratas.
• 6 capas: baratas y abundantes. 8 capas: coste-efectivas. 12 capas: ideales industria pesada o muchas pistas.

• Iniciar layout

• Comenzar con capas señal superior e inferior. Según diseño, dos capas señal sup/inf suficientes salvo muchas conexiones requeriendo capas señal internas.

Opciones para ordenar capas PCB:

• Stack-up 4 capas.
• Stack-up 6 capas.
• Stack-up 8 capas.
• Stack-up 10 capas.
• Stack-up 12 capas con 2 capas señal adicionales.
• Stack-up 12 capas con 4 GND.

Puede solicitar presupuesto tipo PCB aquí: https://www.wellpcb.com/pcb-quote

Conclusión

Como vio, capas PCB componen diseños distintos para diversos electrodomésticos. Según uso, capas variarían.

Monocapa y doble cara son más baratas pero no realizan operaciones complejas que multicapa. Multicapa usadas en máquinas y electrónica avanzada.

Multicapa hechas de 3+ capas PCB formadas de cobre, entre otros materiales. Para consultas:

• ADMIN@MFGROBOTS.COMet
• www.wellpcb.com