Cómo determinar el número de capas en las PCB

Las placas de circuito impreso (PCB) constan de una o varias capas de materiales dieléctricos y conductores. Cuando se unen para formar placas, estas capas contienen circuitos que alimentan una amplia gama de dispositivos electrónicos domésticos, como relojes despertadores, electrodomésticos de cocina, artículos de escritorio, computadoras y dispositivos móviles.

Las PCB también se utilizan en una amplia gama de herramientas y maquinaria industriales, así como en dispositivos médicos, computadoras y sistemas de almacenamiento gubernamentales, y equipos aeroespaciales. El número de capas y las dimensiones de una placa determinada determinan la distribución de energía de una PCB.

¿Qué son las PCB multicapa?

Las capas de PCB son el factor determinante en la potencia y la capacidad de una placa de circuito impreso. A menudo la gente se pregunta si una PCB de una sola capa será suficiente, o si es mejor optar por una PCB de dos o cuatro capas; pista:no existe tal cosa como una PCB de tres capas, ni algo dentro del rango de las multicapa.

Si bien la cantidad de capas depende en gran medida de tu presupuesto y de las necesidades funcionales en una placa PCB, esto lleva a la pregunta: ¿qué son exactamente las PCB multicapa? Básicamente, “multicapa” se refiere a cualquier cosa con más de dos capas, como una PCB de 4 capas o algo en el rango de 6 a 12 capas o más.

5 preguntas para decidir el número de capas en PCB multicapa

Al considerar cuántas capas serían ideales en un pedido de PCB, debe tener en cuenta los factores que hacen que una multicapa sea más favorable que una de una o dos capas, y viceversa.

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

Al calcular las necesidades de una placa de circuito impreso, tenga en cuenta los tipos de máquinas y dispositivos en los que se utilizarán sus PCB y las exigencias que estas máquinas/dispositivos impondrán al circuito de la placa. ¿Se utilizarán estas PCB en dispositivos electrónicos de alta tecnología y complejos o en artículos más simples con funciones mínimas?

2. ¿Qué frecuencia de operación se necesita?

A medida que tenga en cuenta estas preguntas, considere lo que necesitará en términos de frecuencia de operación. Sus parámetros determinan las funciones y la capacidad de una PCB. Para una mayor velocidad y capacidad de operación, las PCB multicapa son esenciales.

3. ¿Cuál es mi presupuesto para el proyecto?

Otras cosas a considerar son lascostes de fabricación de PCB de una y doble capa frente a multicapa. Si desea tener la mayor capacidad posible con la tecnología de placas de circuito actual, tendrá que pagar los altos costos de fabricación que esto implica.

4. ¿Con qué rapidez necesito las PCB?

Tiempo de entrega - eltiempo que se tarda en fabricar un conjunto de PCBde una sola capa frente a múltiples capas, también es algo a tener en cuenta cuando se realiza un gran pedido de placas de circuito impreso. El plazo de entrega para placas de una y dos capas puede variar entre 8 y 14 días, dependiendo del tamaño del área de la placa. Por otro lado, si está dispuesto a pagar más o menos, el plazo de entrega podría ser tan corto como cinco días o tan largo como un mes.

El plazo de entrega aumentará, según el tamaño de la placa, con cada capa que añadas al pedido. Las PCB de entre cuatro y 20 capas pueden tener un plazo de entrega de entre 12 y 32 días, dependiendo de si quieres que las placas tengan dimensiones pequeñas o grandes.

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

El número de capas de PCB también depende de la densidad de pines y de las capas de señal. Como se indica en el gráfico siguiente, una densidad de pines de 1,0 requerirá 2 capas de señal, y el número de capas necesarias aumenta a medida que disminuye la densidad de pines. Con una densidad de pines de 0,2 o menos, necesitará PCBs con al menos 10 capas.

PCB de una sola capa

Una PCB de una sola capa consta de una capa laminada y soldada de material dieléctrico y conductor. Como uno de los primeros componentes del equipo electrónico, la PCB de una sola capa se ha utilizado desde finales de la década de 1950. Incluso hoy en día, a pesar de su relativo primitivismo según los estándares modernos de la electrónica doméstica, la PCB de una sola capa sigue siendo común en todo el mundo.

La construcción de una PCB de una sola capa es sencilla, ya que consta de un único dieléctrico térmicamente conductor que primero se recubre con un laminado de cobre y se remata con una máscara de soldadura. Las ilustraciones de la PCB de una sola capa generalmente mostrarán tres franjas de color para representar la capa y sus dos recubrimientos: gris para la propia capa dieléctrica, marrón para el laminado de cobre y verde para la máscara de soldadura.

Debido a su diseño sencillo, las PCB de una sola capa son fáciles de fabricar en grandes cantidades y, por lo tanto, son las más rentables de todas las placas de circuito impreso. Aunque la capa única es un componente tecnológico limitado según los estándares contemporáneos, todavía ofrece a los fabricantes los siguientes beneficios:
• Un diseño sencillo que la mayoría de los fabricantes puede entender fácilmente
• Sencillo y, por lo tanto, poco probable que plantee problemas de producción
• Asequible y conveniente para la producción en grandes cantidades

Hoy en día, las PCB de una sola capa se fabrican con un espesor de laminado de cobre que va de una a 20 onzas. Las PCB de una sola capa están diseñadas para funcionar en un rango de temperatura de entre 130 y 230 grados Celsius.

En décadas anteriores, las PCB de una sola capa se utilizaban en la mayoría de los dispositivos eléctricos. Hoy en día, la mayoría de los equipos electrónicos domésticos de alta tecnología han pasado a las PCB multicapa, que están optimizadas para una gama más compleja de exigencias. No obstante, las PCB de una sola capa siguen siendo comunes en algunos de los dispositivos más sencillos de salas de estar, cocinas y oficinas, entre ellos:
•Calculadoras- Algunas de las calculadoras más básicas funcionan con PCB de una sola capa.
•Radios- Algunas radios, como los radios despertadores de bajo precio de las tiendas de suministros generales, a menudo utilizan PCBs de una sola capa.
•Cafeteras- Los electrodomésticos para hacer café suelen utilizar PCB de una sola capa.

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

PCB de doble capa

La PCB de dos capas es el siguiente paso en la tecnología de placas de circuito impreso. Con su mayor capacidad, la PCB de dos capas —también llamada PCB de doble capa— puede soportar una gama más amplia de dispositivos electrónicos contemporáneos que la PCB de una sola capa. Al mismo tiempo, las PCBs de dos capas son mucho menos complicadas desde el punto de vista de fabricación que las diversas placas de circuito impreso multinivel del mercado actual. Por ello, la de dos capas es la opción de PCB más utilizada.

Una PCB de dos capas es muy similar a una PCB de una sola capa, pero con una mitad inferior invertida en imagen especular. En la PCB de dos capas, la capa dieléctrica es más gruesa que en la de una sola capa. Además, el dieléctrico está laminado con cobre tanto en la parte superior como en la inferior. Asimismo, la laminación está cubierta con máscara de soldadura en ambas caras, superior e inferior.

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

Gracias a sus lados superior e inferior iguales, la PCB de dos capas permite más pistas de enrutamiento. Los beneficios de la PCB de dos capas incluyen lo siguiente:
• Una flexibilidad de diseño que lo hace adecuado para una amplia gama de dispositivos
• Circuitería densa que la hace adecuada para una variedad de aplicaciones modernas
• Construcción de bajo costo, lo que la hace conveniente para la producción en masa
• Diseño sencillo, lo que facilita que los fabricantes de todo el mundo lo entiendan
• Tamaño pequeño, lo que le permite adaptarse a una variedad de dispositivos

Las PCB de dos capas son aplicables a una amplia 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 de HVAC- Los sistemas residenciales de calefacción y refrigeración de varias marcas han contenido placas de circuito impreso de doble capa.
•Amplificadores- La PCB de dos capas ha equipado las unidades de amplificación utilizadas por numerosos músicos.
•Impresoras- Una variedad de periféricos informáticos dependen de PCB de dos capas.

La PCB de dos capas también se ha utilizado 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 consta de un conjunto de capas más complejo que la PCB de una o dos capas. Mientras que tanto la PCB de una como la de dos capas contienen una sola hilera de material dieléctrico, la PCB de cuatro capas contiene varias. Como en todas las placas de circuito impreso multinivel, la PCB de cuatro capas incluye varias capas de material conductor y cobre entre las máscaras de soldadura superior e inferior.

La pila de PCB de cuatro capas consta de las siguientes capas:
• Cuatro tiras de cobre conductivo
• Tres capas internas de dieléctrico: dos de preimpregnado y una de núcleo
• Capas gemelas de máscara de soldadura dieléctrica en la parte superior e inferior

En el diseño de PCB de 4 capas, las 4 láminas de cobre están divididas internamente por 3 dieléctricos internos y selladas en la parte superior e inferior por la máscara de soldadura. Generalmente, las reglas de diseño de PCB de 4 capas se ilustran con 9 láminas y 3 colores: marrón para el cobre, gris para el núcleo y los preimpregnados, y verde para la máscara de soldadura.

Aunque las ilustraciones comunes del diseño de PCB de cuatro capas parecerían indicar que las capas de prepreg y núcleo están compuestas del mismo material, el primero no está totalmente curado y, por lo tanto, es más blando que el núcleo. Durante el proceso de fabricación, se aplican calor y presión al apilado de cuatro capas, lo que hace que el prepreg y el núcleo se fundan y unan las capas entre sí.

Las placas de circuito impreso de cuatro capas ofrecen ventajas a los fabricantes en numerosos aspectos, ya que estas y otras placas de circuito impreso multicapa proporcionan los siguientes beneficios:
•Durabilidad- La PCB de cuatro capas es más resistente que las placas de una y dos capas.
•Tamaño compacto- El diseño compacto de la PCB de cuatro capas puede integrarse en una amplia gama de dispositivos.
•Flexibilidad- La PCB de cuatro capas puede funcionar en numerosos tipos de dispositivos electrónicos, tanto simples como complejos.
•Seguro- Con una alineación adecuada de las capas de alimentación y tierra, la PCB de cuatro capas protege contra las interferencias electromagnéticas.
•Ligero- Los dispositivos equipados con PCB de cuatro capas necesitan menos cableado interno y, por lo tanto, a menudo pesan menos.

Aunque la producción de placas de múltiples capas requiere una mayor experiencia, cualquier costo adicional de una PCB de cuatro capas se recupera con creces gracias a los productos de mayor valor que la placa de cuatro capas puede soportar mecánicamente. Algunos de los dispositivos modernos más esenciales que incorporan PCBs de cuatro capas incluyen los siguientes:
•Sistemas satelitales- Los PCB multinivel han equipado los satélites en órbita que han hecho posible la comunicación a escala mundial.
•Dispositivos de mano- Los teléfonos y las tabletas suelen estar equipados con PCB de cuatro capas.
•Equipo de sonda espacial- Las placas de circuito impreso multicapa han impulsado dispositivos de exploración espacial que nos han permitido ver muy lejos en la galaxia.

Las placas de circuito impreso de cuatro capas también son comunes en equipos de rayos X, servidores de archivos, aceleradores atómicos, tecnología de tomografía computarizada (TAC) y sistemas de detección nuclear. Más aún que las PCB de una y dos capas, las placas de circuito de cuatro capas también pueden ser beneficiosas en procesos donde la diafonía es un problema.

PCB de seis capas

La PCB de seis capas es donde la tecnología de placas de circuito realmente comienza a adentrarse en los aspectos más avanzados de la electrónica actual. Con la PCB de seis capas, los fabricantes pueden alimentar una variedad de productos tecnológicos comerciales, dispositivos de atención médica y maquinaria industrial.

La pila de PCB de seis capas es similar a la de cuatro capas, pero con dos capas adicionales de cobre y dos filas adicionales de material dieléctrico. En la pila de seis capas, la segunda y la cuarta filas dieléctricas se etiquetan como "núcleo" y la primera, tercera y quinta son de prepreg. De las seis filas conductoras de cobre, la segunda y la quinta son planos y las demás son de señal.

Desde su desarrollo, las PCB de 6 capas han sido una bendición para la industria electrónica. Gracias a su enorme superioridad tecnológica frente a las placas de una y dos capas, han permitido a los fabricantes presentar al público toda una serie de dispositivos innovadores. Algunas de las principales ventajas de las PCB de seis capas incluyen:
•Fuerza- La PCB de seis capas es más gruesa y, por lo tanto, más resistente que sus predecesoras de menos capas.
•Compacidad- Con seis capas, las placas de este grosor tienen una mayor capacidad tecnológica y, por lo tanto, pueden consumir menos ancho.
•Alta capacidad- Las PCB con seis o más capas proporcionan a los dispositivos electrónicos una potencia óptima y reducen en gran medida la posibilidad de diafonía e interferencias electromagnéticas.

Las placas de circuito impreso multinivel de seis capas o más han permitido que la tecnología informática crezca a pasos agigantados durante las últimas dos décadas. Las PCB de este nivel han impulsado el avance de los siguientes dispositivos electrónicos:
•Computadoras- Las PCB de 6 capas han contribuido a impulsar la rápida evolución de las computadoras personales, que se han vuelto más compactas, ligeras y rápidas.
•Almacenamiento de datos- La alta capacidad de las PCB de seis capas ha hecho que los dispositivos de almacenamiento de datos sean cada vez más versátiles durante la última década.
•Sistemas de alarma contra incendios- Con placas de circuito de 6 capas o más, los sistemas de alarma se han vuelto aún más precisos para detectar un peligro real en el momento en que surge.

Las PCB de seis capas también se han utilizado en la transmisión de teléfonos móviles, receptores de fibra óptica, monitores cardíacos, controles industriales y tecnología GPS.

PCB multicapa complejas

A medida que las placas de circuito impreso multicapa aumentan su número de capas más allá de cuatro y seis, se añaden más capas de cobre conductor y material dieléctrico a la pila.

Por ejemplo, una 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. La estructura de ocho capas se sella en la parte superior e inferior con una máscara de soldadura dieléctrica. Básicamente, la estructura de PCB de ocho capas es muy similar a la de seis capas, pero con pares adicionales de columnas de cobre y de prepreg.

La tendencia continúa con la PCB de 10 capas, que añade dos capas más de cobre para un total de seis capas de señal y cuatro capas de plano de cobre, 10 en total. Uniendo el cobre en la pila de la PCB de 10 capas hay nueve columnas de material dieléctrico: cinco de prepreg y cuatro de núcleo. Las pilas de PCB de diez capas se sellan, como todas las demás, con una máscara de soldadura dieléctrica en la parte superior e inferior.

Cuando llegas a la pila de PCB de 12 capas, tienes una placa con 4 planos y 8 capas conductoras de señal, unidas por 6 columnas de material dieléctrico de preimpregnado y 5 de núcleo. Las pilas de PCB de 12 capas se sellan con máscara de soldadura dieléctrica. En general, las ilustraciones de PCB multicapa representan las capas y los materiales de unión con los siguientes colores: marrón para el cobre de señal/plano, gris para el material dieléctrico de preimpregnado/núcleo y verde para la máscara de soldadura superior/inferior.

Las PCB multicapa de ocho, diez y doce capas son beneficiosas en numerosos dispositivos de alta tecnología y sistemas informáticos. En las últimas décadas, el desarrollo de placas de circuito impreso multicapa ha impulsado el rápido avance de la tecnología informática: desde los sistemas en kHz de antaño hasta las máquinas en GHz de la actualidad.

Las máquinas y dispositivos en una variedad de sectores —comercial, industrial, médico, gubernamental y aeroespacial— siguen aumentando en velocidad, capacidad, compacidad y facilidad de uso, gracias a los rápidos avances posibilitados por las PCB multicapa cada vez más complejas de hoy en día.

Distribuciones de capas

La forma más sencilla 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, suelen estar compuestas por capas espaciadas uniformemente con planos en el centro. Aunque esto puede hacer que la placa parezca simétrica, no necesariamente produce los efectos más deseables en lo que respecta a la compatibilidad electromagnética.

Otra disposición que puede producir efectos indeseables consiste en colocar muy cerca entre sí los dos planos en el centro, mientras que la capa de señal y los planos encierran grandes dieléctricos. Aunque esta disposición sí permite el almacenamiento de carga eléctrica en el espacio entre planos, puede provocar una transmisión de señal no deseada y efectos electromagnéticos. Por estas razones, los expertos actuales en el campo de las PCB suelen optar por placas de al menos cuatro capas, en lugar de dos.

Para mejorar la compatibilidad electromagnética de una placa de cuatro capas, los planos y las capas de señal deben espaciarse entre sí lo más estrechamente posible. Además, el núcleo entre el plano de tierra y el de alimentación debe ser grande. Esta disposición reducirá la posibilidad de transmisiones de señal indeseadas entre las pistas y mantendrá la oposición entre circuitos y corrientes en niveles aceptables.

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

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El mundo actual está equipado con dispositivos electrónicos de todo tipo que ofrecen numerosas funciones que no habrían sido tecnológicamente imaginables ni siquiera hace 50 años. Muchos de estos avances se deben a las capacidades que brindan las PCB. Las PCB hacen posible que dispositivos convenientemente compactos realicen una variedad de tareas complejas, muchas de las cuales pueden activarse de forma remota.

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Recursos útiles
•Introducción a las placas de circuito impreso
•PCB de una sola capa vs. PCB multicapa
•Necesidad y ventajas de las PCB multicapa
•Apilamiento de capas de PCB, diseño de apilamiento de PCB | PCBCart
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