Cómo determinar con precisión el número de capas de PCB

Las placas de circuito impreso (PCB) consisten en anything from one layer to multiple layers of dielectric and conductive materials. Cuando se unen en placas, estas capas llevan circuitos que alimentan una vasta gama de electrónica doméstica, como relojes despertador, electrodomésticos de cocina, suministros de escritorio, computadoras y dispositivos móviles.

Los PCB también se usan en una vasta gama de herramientas y maquinaria industrial, así como dispositivos médicos, computadoras gubernamentales y sistemas de almacenamiento, y equipos aeroespaciales. El número de capas y dimensiones de una placa particular determinan la distribución de potencia de un PCB.

¿Qué son los PCB Multicapa?

Las capas de PCB son el factor determinante en la potencia y capacidad de una placa de circuito impreso. A menudo la gente se pregunta si un PCB de una capa será suficiente, o si es mejor ir con un PCB de dos o cuatro capas —pista: no existe tal cosa como un PCB de tres capas— o algo en el rango multicapa.

Aunque el número de capas depende en gran medida de su presupuesto y necesidades funcionales en una placa PCB, esto lleva a la pregunta: ¿qué son exactamente los PCB multicapa? Básicamente, "multicapa" se refiere a cualquier cosa con más de dos capas, como un PCB de 4 capas o algo en el rango de 6 capas a 12 o más.

5 Preguntas para Decidir el Número de Capas en PCB Multicapa

Al considerar cuántas capas serían ideales en un pedido de PCBs, necesita considerar los factores que hacen un multicapa favorable a uno de una o dos capas, y viceversa.

1. ¿Cómo se usará mi placa de circuito impreso?

Al calcular las necesidades de una placa de circuito impreso, considere los tipos de máquinas y dispositivos en los que se usarán sus PCBs y las demandas que estas máquinas/dispositivos colocarán en el circuito de la placa. ¿Se usarán estos PCBs en electrónica de alta tecnología y compleja o en artículos más simples con funciones mínimas?

2. ¿Qué frecuencia de operación se necesita?

Al tener en cuenta estas preguntas, considere qué necesitará en términos de frecuencia de operación. Sus parámetros determinan las funciones y capacidad de un PCB. Para mayor velocidad y capacidad operativa, los PCB multicapa son esenciales.

3. ¿Cuál es mi presupuesto para el proyecto?

Otras cosas a considerar son los costes de fabricación de PCBs de una y dos capas versus multicapas. Si quiere tener la mayor capacidad posible en la tecnología de placas de circuito de hoy, necesitará pagar los altos costes de fabricación involucrados.

4. ¿Qué tan rápido necesito los PCBs?

El tiempo de entrega —el tiempo que toma fabricar un conjunto de PCBs de una vs. múltiples capas— también es algo a considerar cuando pide un gran envío de placas de circuito impreso. El tiempo de entrega para tableros de una y dos capas podría ser de 8 a 14 días, dependiendo del tamaño del área de la placa. Luego de nuevo, si está dispuesto a pagar más o menos, el tiempo de entrega podría ser tan corto como cinco días o tan largo como un mes.

El tiempo de entrega aumentará, por tamaño de placa, con cada capa que agregue al pedido. PCBs en el rango de cuatro a 20 capas podrían tener un tiempo de entrega de 12 a 32 días, dependiendo de si quiere que las placas tengan dimensiones pequeñas o grandes.

5. ¿Qué densidad y capas de señal se necesitan?

El número de capas de PCB también depende de la densidad de pines y capas de señal. Como indica la tabla a continuación, una densidad de pines de 1.0 necesitará 2 capas de señal, y el número de capas necesarias sube a medida que la densidad de pines cae. Con una densidad de pines de 0.2 o menos, necesitará PCBs con al menos 10 capas.

Densidad de Pines	Número de Capas de Señal	Número de Capas PCB Multicapa
>1.0	2	2
0.6-1.0	2	4
0.4-0.6	4	6
0.3-0.4	6	8
0.2-0.3	8	12
<0.2	10	>14

PCB de Una Capa

Un PCB de una capa consiste en una capa laminada y soldada de material dieléctrico, conductor. Como componente temprano de equipos electrónicos, el PCB de una capa ha estado en uso desde finales de la década de 1950. Incluso hoy, a pesar de su relativo primitivismo por estándares modernos en electrónica doméstica, el PCB de una capa sigue siendo común en todo el mundo.

La construcción de un PCB de una capa es simple, ya que consiste en un dieléctrico termoconductor que se cubre primero con un laminado de cobre y se remata con una máscara de soldadura. Las ilustraciones del PCB de una capa generalmente mostrarán tres tiras de color para representar la capa y sus dos cubiertas —gris para la capa dieléctrica en sí, marrón para el laminado de cobre y verde para la máscara de soldadura.

Debido a su diseño simple, los PCB de una capa son fáciles de fabricar en grandes cantidades y son por tanto los más rentables de todas las placas de circuito impreso. Aunque la capa única es un componente tecnológico limitado por estándares contemporáneos, aún proporciona a los fabricantes los siguientes beneficios:
• Un diseño simple que la mayoría de fabricantes pueden entender fácilmente
• Poco complicado, y por tanto improbable que plantee problemas de producción
• Asequible y conveniente para producción en grandes cantidades

Hoy, los PCB de una capa se fabrican con un espesor de laminado de cobre de uno a 20 onzas. Los PCB de una capa están diseñados para operar en un rango de temperatura entre 130 y 230 grados Celsius.

En décadas anteriores, los PCB de una capa se usaban en la mayoría de dispositivos eléctricos. Hoy, la mayoría de electrónica doméstica de alta tecnología ha pasado a PCB multicapa, optimizados para una gama más compleja de demandas. No obstante, el PCB de una capa sigue siendo común en algunos de los dispositivos más simples en salas de estar, cocinas y oficinas, incluyendo:
• Calculadoras - Algunas de las calculadoras más básicas funcionan con PCB de una capa.
• Radios - Algunas radios, como los radios despertador de bajo precio de tiendas de suministros generales, a menudo usan PCB de una capa.
• Cafeteras - Los electrodomésticos para hacer café a menudo usan PCB de una capa.

El PCB de una capa también es común en sensores, luces LED, impresoras, cámaras de vigilancia y circuitos de temporización.

PCB de Dos Capas

El PCB de dos capas es el siguiente paso en tecnología de placas de circuito impreso. Con su mayor capacidad, el PCB de dos capas —alternativamente llamado PCB de doble capa— puede soportar una gama más amplia de dispositivos electrónicos contemporáneos que el PCB de una capa. Al mismo tiempo, los PCB de dos capas son mucho menos complicados desde un punto de vista de fabricación que los diversos PCB multinivel en el mercado de hoy. Como tal, el de dos capas es la opción de PCB más ampliamente usada.

Un PCB de dos capas es muy parecido a un PCB de una capa, pero con una mitad inferior invertida, imagen espejo. Con el PCB de dos capas, la capa dieléctrica es más gruesa que en la de una capa. Además, el dieléctrico está laminado con cobre tanto en el lado superior como inferior. Además, la laminación está cubierta con máscara de soldadura tanto en la parte superior como inferior.

Las ilustraciones del PCB de dos capas generalmente parecen un sándwich de tres capas, con una capa gris gruesa en el medio que representa el dieléctrico, tiras marrones gemelas arriba y abajo que representan el cobre y tiras verdes delgadas a lo largo de la parte superior e inferior que representan la máscara de soldadura.

Gracias a sus lados superior e inferior iguales, el PCB de dos capas permite más trazas de ruteo. Los beneficios del PCB de dos capas incluyen los siguientes:
• Una flexibilidad de diseño que lo hace adecuado para una amplia gama de dispositivos
• Circuitos densos que lo hacen adecuado para una gama de aplicaciones modernas
• Construcción de bajo coste, lo que lo hace conveniente para producción en masa
• Diseño simple, que lo hace más fácil para fabricantes alrededor del mundo entender
• Tamaño pequeño, que permite encajar en una variedad de dispositivos

Los PCB de dos capas son aplicables a una vasta gama de dispositivos electrónicos simples y más complejos. Ejemplos de dispositivos fabricados en masa que han contenido PCB de dos capas incluyen los siguientes:
• Unidades HVAC - Sistemas de calefacción y refrigeración residenciales de varias marcas han contenido placas de circuito impreso de doble capa.
• Amplificadores - El PCB de dos capas ha equipado las unidades amplificadoras usadas por numerosos músicos.
• Impresoras - Una variedad de periféricos de computadora dependen de PCB de dos capas.

El PCB de dos capas también se ha usado en relés de control, fuentes de alimentación, iluminación LED, reactores de línea, equipos de prueba y máquinas expendedoras.

PCB de Cuatro Capas

Una placa de cuatro capas consiste en un conjunto más complejo de capas que el PCB de una o dos capas. Mientras que tanto el PCB de una como de dos capas contienen una sola fila de material dieléctrico, el PCB de cuatro capas contiene varias. Como con todas las placas de circuito impreso multinivel, el PCB de cuatro capas incluye varias capas de material conductor y cobre entre las máscaras de soldadura superior e inferior.

El apilado de PCB de 4 capas consiste en las siguientes capas:
• Cuatro tiras de cobre conductor
• Tres capas dieléctricas internas —dos prepreg y una core
• Capas dieléctricas de máscara de soldadura gemelas en la parte superior e inferior

En diseño de PCB de 4 capas, las 4 tiras de cobre se dividen internamente por 3 dieléctricos internos y se sellan en la parte superior e inferior por máscara de soldadura. Generalmente, las reglas de diseño de PCB de 4 capas se ilustran con 9 tiras y 3 colores —marrón para cobre, gris para core y prepregs y verde para máscara de soldadura.

Aunque las ilustraciones comunes de diseño de PCB de cuatro capas parecerían indicar que las capas prepreg y core consisten en el mismo material, la primera no está totalmente curada, y es por tanto más blanda que el core. Durante el proceso de fabricación, calor y presión se aplican al apilado de cuatro capas que causa que el prepreg y core se derritan y unan las capas juntas.

Los PCB de cuatro capas son ventajosos para fabricantes en numerosos frentes, ya que estos y otros PCB multicapa proporcionan los siguientes beneficios:
• Durabilidad - El PCB de cuatro capas es más fuerte que tableros de una y dos capas.
• Tamaño compacto - El diseño pequeño del PCB de cuatro capas puede encajar en una vasta gama de dispositivos.
• Flexibilidad - El PCB de cuatro capas puede funcionar en numerosos tipos de electrónica, tanto simples como complejas.
• Seguro - Con alineación adecuada de capas de potencia y tierra, el PCB de cuatro capas protege contra interferencia electromagnética.
• Ligero - Dispositivos equipados con PCB de cuatro capas tienen menos necesidad de cableado interno, y por tanto a menudo pesan menos.

Aunque la producción de tableros multinivel requiere mayor experiencia, cualquier coste adicional de PCB de cuatro capas se recupera diez veces por los productos de mayor valor que el de cuatro capas puede soportar mecánicamente. Algunos de los dispositivos modernos más esenciales que presentan PCB de cuatro capas incluyen:
• Sistemas satelitales - PCB multinivel han equipado satélites orbitantes que han permitido comunicación a escala global.
• Dispositivos portátiles - Teléfonos y tabletas a menudo están equipados con PCB de cuatro capas.
• Equipos de sonda espacial - Placas de circuito impreso multinivel han impulsado dispositivos de exploración espacial que nos han permitido ver lejos en la galaxia.

Los PCB de cuatro capas también son comunes en equipos de rayos X, servidores de archivos, aceleradores atómicos, tecnología de escáner CAT y sistemas de detección nuclear. Más que los PCB de una y dos capas, los circuitos de cuatro capas también pueden ser de beneficio a procesos donde el crosstalk es un problema.

PCB de Seis Capas

El PCB de seis capas es donde la tecnología de placas de circuito realmente empieza a entrar en los aspectos más avanzados de la electrónica de hoy. Con el PCB de seis capas, los fabricantes pueden alimentar una gama de productos tecnológicos comerciales, dispositivos de salud y maquinaria industrial.

El apilado de PCB de seis capas es similar al de cuatro capas, pero con dos capas de cobre extra y dos filas adicionales de material dieléctrico. En el apilado de seis capas, la segunda y cuarta filas dieléctricas se etiquetan como "core", y la primera, tercera y quinta son prepreg. De las seis filas conductoras de cobre, la segunda y quinta son plano y el resto son señal.

Desde su desarrollo, los PCB de 6 capas han sido un beneficio para la industria electrónica. Con su vasta superioridad tecnológica a tableros de una y dos capas, han permitido a fabricantes traer una gran cantidad de dispositivos innovadores ante el público. Algunas de las principales ventajas de los PCB de seis capas incluyen:
• Resistencia - El PCB de seis capas es más grueso y por tanto más fuerte que sus predecesores más delgados.
• Compacidad - Con seis capas, tableros de este espesor tienen mayor capacidad tecnológica, y por tanto pueden consumir menos ancho.
• Alta capacidad - PCBs con seis o más capas proporcionan a dispositivos electrónicos potencia óptima y reducen enormemente la posibilidad de crosstalk e interferencia electromagnética.

Placas de circuito impreso multinivel de seis capas o más han permitido a la tecnología computacional crecer a pasos agigantados en las últimas dos décadas. PCBs de este nivel han avanzado la siguiente electrónica:
• Computadoras - PCB de 6 capas han ayudado a impulsar la rápida evolución de computadoras personales, que se han vuelto más compactas, ligeras y rápidas.
• Almacenamiento de datos - La alta capacidad de PCB de seis capas ha hecho dispositivos de almacenamiento de datos cada vez más ingeniosos en la última década.
• Sistemas de alarma de incendios - Con placas de circuito de 6 capas o más, los sistemas de alarma se han vuelto cada vez más precisos detectando peligro real en el momento que surge.

Los PCB de seis capas también se han usado en transmisión de telefonía móvil, receptores de fibra óptica, monitores cardíacos, controles industriales y tecnología GPS.

PCB Multicapa Complejos

A medida que las placas de circuito impreso multicapa aumentan en cuenta de capas más allá de los números cuatro y seis, capas adicionales de cobre conductor y material dieléctrico se añaden al apilado.

Por ejemplo, un PCB de ocho capas contiene cuatro planos y cuatro capas de cobre de señal —ocho en total— unidas por siete filas internas de material dieléctrico. El apilado de ocho capas se sella en la parte superior e inferior con una máscara de soldadura dieléctrica. Básicamente, el apilado de PCB de ocho capas es muy parecido al de seis capas, pero con pares adicionales de columnas de cobre y prepreg.

La tendencia continúa con el PCB de 10 capas, que añade dos capas más de cobre para un total de seis de señal y cuatro de plano —10 en total. Uniendo el cobre en el apilado de PCB de 10 capas son nueve columnas de material dieléctrico —cinco prepreg y cuatro core. Los apilados de PCB de 10 capas se sellan, como todos los demás, con máscara de soldadura dieléctrica en la parte superior e inferior.

Para cuando llegas al apilado de PCB de 12 capas, tienes una placa con 4 planos y 8 capas conductoras de señal, unidas por 6 de señal y 5 columnas core de material dieléctrico. Los apilados de PCB de 12 capas se sellan con máscara de soldadura dieléctrica. En general, las ilustraciones de PCB multicapa representan las capas y materiales de unión con los siguientes colores —marrón para cobre de señal/plano, gris para material dieléctrico prepreg/core, y verde para máscara de soldadura superior/inferior.

Los PCB multicapa de las variedades de ocho, 10 y 12 capas son beneficiosos en numerosos dispositivos de alta tecnología y sistemas computacionales. En décadas recientes, el desarrollo de placas de circuito impreso multicapa ha llevado al rápido avance de la tecnología computacional —desde los sistemas de kHz de antaño a las máquinas de GHz de hoy.

Máquinas y dispositivos en una gama de sectores —comercial, industrial, médico, gubernamental, aeroespacial— continúan creciendo en velocidad, capacidad, compacidad y facilidad de uso, gracias a los rápidos avances permitidos por los PCB multicapa cada vez más complejos de hoy.

Distribución de Capas

La forma más fácil de pensar en una placa de circuito impreso es imaginar las capas como una lasaña donde materiales conductores y dieléctricos se unen dentro de una máscara de soldadura. Las placas de cuatro capas, por ejemplo, usualmente consisten en capas espaciadas uniformemente con planos en el centro. Aunque esto puede hacer que la placa parezca simétrica, no necesariamente tiene los efectos más deseables cuando se trata de compatibilidad electromagnética.

Otro arreglo que puede producir efectos indeseables es emparejar estrechamente los dos planos en el medio, mientras la capa de señal y planos sandwich dieléctricos grandes. Aunque este arreglo permite almacenar carga eléctrica en el inter-plano, puede causar transmisión de señal indeseada y efectos electromagnéticos. Por estas razones, los expertos de hoy en el campo de PCB generalmente optan por tableros de al menos cuatro capas, en lugar de dos.

Para impulsar la compatibilidad electromagnética de una placa de cuatro capas, los planos y capas de señal deben espaciarse juntos lo más cerca posible. También, el core entre el plano de tierra y potencia debe ser grande. Este arreglo reducirá la posibilidad de transmisiones de señal indeseables entre las trazas y mantendrá la oposición entre circuitos y corrientes en niveles aceptables.

Un rango ideal de oposición entre circuito y corriente estaría en el orden de 50 a 60 ohmios. Recuerde, cuando la impedancia es baja, la corriente consumida se dispara, lo que es un efecto indeseable. Una impedancia alta generará mayores cantidades de interferencia electromagnética y hará la placa más vulnerable a interferencia extranjera.

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