Conceptos y terminología utilizada en Circuitos Impresos (PCB)

Basic PCB Concepts

¿Qué es un circuito impreso?

Un circuito impreso o PCB en inglés, es una tarjeta o placa utilizada para realizar el emplazamiento de los distintos elementos que conforman el circuito y las interconexiones eléctricas entre ellos.

Antiguamente era habitual la fabricación de circuitos impresos para el diseño de sistemas mediante técnicas caseras, sin embargo esta práctica ha ido disminuyendo con el tiempo. En los últimos años el tamaño de las componentes electrónicas se ha reducido en forma considerable, lo que implica menor separación entre pines para circuitos integrados de alta densidad. Teniendo también en consideración las actuales frecuencias de operación de los dispositivos, es necesaria una muy buena precisión en el proceso de impresión de la placa con la finalidad de garantizar tolerancias mínimas.

Los circuitos impresos más sencillos corresponden a los que contienen caminos de cobre (tracks) solamente por una de las superficies de la placa. A estas placas se les conoce como circuitos impresos de una capa, o en inglés, 1 Layer PCB.

Los circuitos impresos más comunes de hoy en día son los de 2 capas o 2 Layer PCB. Sin embargo, dependiendo de la complejidad del diseño del físico del circuito (o PCB layout), pueden llegar a fabricarse hasta de 8 o más layers.

Fig 1. Ejemplo de una sección de una PCB de 2 layers (capas)

Soldermask o máscara de soldado

Para montar los componentes electrónicos en los circuitos impresos se requiere de un proceso de ensamblado, que puede ser manual o mediante maquinaria especializada. Los procesos de ensamblado requieren la utilización de soldadura para poder fijar los componentes a la placa. Para evitar que la soldadura pueda cortocircuitar accidentalmente dos tracks pertenecientes a nodos distintos se utiliza una máscara de soldado, o soldermask en inglés. Esta máscara de soldado es un barniz que se aplica a los circuitos impresos en la etapa de fabricación y puede ser de variados colores. El color que se utiliza más frecuente es el verde seguidos del rojo y azul.

En los programas CAD EDA, existe generalmente una regla asociada a la expansión de máscara de soldado. Esta regla especifica la distancia que existe entre el borde de los pads y el borde de la máscara de soldado. Este concepto se puede apreciar en la figura 2 (a).

Serigrafía o silkscreen

La serigrafía es el proceso en donde se imprime sobre la máscara de soldado información conducente a facilitar la labor del ensamblado y de posterior verificación. Generalmente se imprime para indicar puntos de prueba como también la posición, orientación y referencia de las componentes que conforman el circuito. También puede utilizarse para cualquier propósito que el diseñador requiera, como por ejemplo para el nombre del producto, compañía, instrucciones de configuración, etc. La serigrafía puede ir en ambas capas externas o caras del circuito impreso. En inglés se conoce como silkscreen u overlay. En la figura 2 se puede apreciar la serigrafía, que corresponde a todo lo impreso en color blanco.

 

Fig 2. Expansión de la máscara de soldado (a) y serigrafía (b)

Stackup o pila de capas

Tal como se dijo en al principio de este artículo, los circuitos impresos o PCBs pueden fabricarse de varias layers o capas. Cuando una PCB es diseñada mediante un software CAD EDA, se suelen especificar varias capas en el diseño que no necesariamente son conductoras, como por ejemplo la serigrafía, máscara de soldado, etc. Esto puede prestarse para confusión ya que generalmente uno se refiere a layers o capas solamente cuando se está hablando de las que son conductoras. De ahora en adelante cuando nos se refiramos al concepto de capa o layer sin el sufijo CAD, nos estamos refiriendo solamente a las capas que son conductoras.  

El orden de la pila de capas CAD es la siguiente:

CAD Layer	Descripción Capa CAD
1	Top silkscreen/overlay ( serigrafía superior )
2	Top soldermask ( máscara de soldado superior)
3	Top paste mask
4	Layer 1 ( Capa 1)
5	Sustrato
6	Layer 2 ( Capa 2)
...	...
n-1	Sustrato
n	Layer n ( Capa n) ( conductora )
n+1	Bottom paste mask
n+2	Bottom solder mask ( máscara de soldado inferior)
n+3	Bottom silkscreen/overlay (serigrafía inferior)

En la figura 3 podemos apreciar 3 stackups o pilas de capas. Lo que se destaca de color naranja corresponden a las layers de cada uno de los stackups. La altura de los stackup (espesor del circuitos impresos) puede variar dependiendo de la aplicación, sin embargo la más utilizada es 1.6 [mm].

 

Fig 3. Ejemplos de Stackups de 2 capas (a), 4 capas (b) y 6 capas (c)

Encapsulado de componentes

En el mercado se encuentran diversos tipos de encapsulados de componentes electrónicos. Es común encontrar varios tipos de encapsulado para un mismo dispositivo. Existen básicamente 3 grandes familias de encapsulados:

Basicamente existen 3 grandes familias de encapsulados electrónicos:

Package	Description	Example Image
Thru-Hole (A través de orificio)	Son todos aquellos componentes que poseen pines para ser instalados en perforaciones metalizadas (llamadas thru-hole pads). Este tipo de componentes se suelda por la capa opuesta. Generalmente son montados por un solo lado de la placa.
SMD/SMT (montaje superficial)	Son todos aquellos componentes que se montan en forma superficial. Tienen la ventaja de que pueden montarse por ambos lados además de ser más pequeños que los thru-hole, lo que permite hacer circuitos más pequeños y densos. Son interesantes para diseños en alta frecuencia debido a su tamaño reducido.
BGA (Arreglo de bolas en grilla)	Este tipo de encapsulado es utilizado para chips que contienen una cantidad elevada de pines (i.e 300 a 1000). Se requiere de maquinaria muy especializada para su instalación ya que los pines son bolas de soldadura que deben ser fundidas para conectarse con los pads, por lo que la alineación es fundamental. Son ideales para circuitos integrados de alta frecuencia ya que la inductancia parásita entre el "ball" y el "pad" es mínima. Son muy comunes en placas madres de computadores, tarjetas de video, etc.

Para mayor información haga click en este articulo de wikipedia:

Tecnología de Montaje Superficial - Wikipedia

Pads

Un pad es una superficie de cobre en un circuito impreso o PCB que permite soldar o fijar la componente a la placa. Existen dos tipos de pads; los thru-hole y los smd (montaje de superficie).

Los pads thru-hole están pensados para introducir el pin de la componente para luego soldarla por el lado opuesto al cual se introdujo. Este tipo de pads es muy similar a una via thru-hole.

Los pads smd están pensados para montaje superficial, es decir, soldar la componente por el mismo lado de la placa en donde se emplazó.

A continuación se muestran en la figura 4, cuatro componentes. La componente IC1 y R1 tienen 8 y 2 pads SMD respectivamente, mientras que ambas componentes Q1 y PW tienen 3 pads thru-hole.

Fig 4. Pads SMD y Thru-hole

Caminos de cobres ( pistas o tracks)

Un track es un camino conductor de cobre que sirve para conectar un pad (donde descansa el pin o terminal de un componente) a otro. Los tracks pueden ser de distinto ancho dependiendo de las corrientes que fluyen a través de ellos.

Cabe destacar, que en altas frecuencias es necesario calcular el ancho del track de forma que exista una adaptación de impedancias durante todo su recorrido (más de este tema en una futura publicación).

Fig 5. Tracks que interconectan 2 circuitos impresos (chips)

Perforaciones Metalizadas a través de orificio ( Thru-hole Vias o Full Stack Vias)

Cuando se debe realizar una conexión de un componente que se encuentra en la capa superior de la PCB con otro de la capa inferior, se utiliza una via. Una via es una perforación metalizada (en inglés, plated via) que permite que la conducción eléctrica no se interrumpa cuando se pasa de una superficie a otra. En la figura 6 puede apreciarse como salen 2 tracks desde los pads de un chip que se encuentra en la capa superior de la PCB, que luego de pasar por 2 vias, se conectan a los pads del chip que se encuentra en la capa inferior.

 

Fig 6. Dos chips en caras opuestas se conectan, atravezando la placa con vias

En la figura 7 se muestra una vista más detallada de una sección de circuito impreso. Los colores significan:

Color	Legend for Figure 7
verde	máscaras de soldado de las capas superior ( top ) e inferior ( bottom )
rojo	corresponde a la capa superior ( top )
violeta	corresponde a la segunda layer que en este caso es un plano de energía (i.e. Vcc o Gnd)
amarillo	corresponde a la tercera layer que en este caso es un plano de energía (i.e. Vcc o Gnd)
azul	corresponde a la capa inferior ( bottom )

Este circuito impreso PCB es de 4 capas, y se puede apreciar como un track de la capa superior ( top ) atraviesa la placa donde sale un track en la capa inferior ( bottom ).

 

Fig 7. Track de la capa superior atravesando la PCB y saliendo en la capa inferior

Perforaciones Metalizadas ciegas ( Blind Vias )

En diseños complejos de alta densidad es necesario utilizar más de 2 layers como hemos mostrado en la figura 7. Generalmente en los diseños de sistemas multicapas donde hay muchos integrados, se utilizan planos de energía (de Vcc's o de Gnd) para evitar tener que routear muchos tracks de alimentación. Dicho en otras palabras es más fácil y seguro conectarse a la alimentación directamente bajo del chip (capa contigua a la superior) que con tracks largos hacia el PDS (Power Delivery System). También hay veces que se debe routear un track de señal desde una capa externa a una interna con el mínimo largo posible debido a problemas que se generan cuando se trabaja en frecuencias altas que afectan la integridad de las señales (más de esto en otra publicación futura). Para esos tipos de conexionado se utilizan vias ciegas, las cuales permiten conectar una capa externa a una capa interna. La via ciega comienza en una capa externa y termina en un capa interna, es por eso que se llama ciega. Para darse cuenta si una via es ciega, puede ponerse el circuito impreso contra una fuente de luz y ver si la luz pasa a través de ella. En el caso de que la luz no traspase la PCB estamos hablando de una via ciega, en caso contrario, de una via thru-hole.

Es muy útil utilizar este tipo de vias en diseño de circuitos impresos cuando no se posee de mucho espacio para emplazar componentes, por lo que se debe poblar la placa por componentes en ambas caras. Si las vias fuesen del tipo thru-hole utilizaría espacio extra el hecho de que una via atravesara la placa completa.

En la figura 8 podemos apreciar 3 vias en este circuito impreso. Si vemos de izquierda a derecha, la primera via que veremos es una thru-hole o fullstack. La segunda es una via que nace en la capa superior y termina en la segunda capa, por lo que decimos que es una 1-2 blind via. Por último la tercera es una via que nace en la capa inferior y termina en la tercera, por lo tanto es una 3-4 blind via.

Es importante destacar que las blind vias se suelen manufacturar en layers consecutivas, en otras palabras L1 L2, L3 L4, Ln-1 Ln.

Fig 8. Comparación de una Thru-hole via con una Blind via

La desventaja que tiene el utilizar este tipo de vias es su alto costo en comparación a la alternativa de vias thruhole.

Perforaciones Metalizadas enterradas u ocultas ( Buried Vias )

Estas vias son similares a las ciegas, la diferencia es que no nacen ni terminan en ninguna capa externa o de superficie. Si vemos de izquierda a derecha, la primera es una thru-hole o fullstack y la segunda es una 1-2 blind, al igual que en el ejemplo anterior. La tercera en este caso es una 2-3 buried via que nace en la segunda capa y termina en la tercera.

Fig 9. Comparación de una Thru-hole via, Blind via y Burried via

Es importante destacar que las buried vias se suelen manufacturar en layers consecutivas (i.e. L1 L2)

La desventaja que tiene el utilizar este tipo de vias es su alto costo en comparación a la alternativa de vias thruhole.

M. Patricio Cohen
Electrosoft Ingeniería

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