Todo lo que necesitas saber sobre las vías de unión en una PCB

Las vías de unión suelen verse esparcidas por la capa superficial de una PCB. Lo mejor que puedes hacer si quieres utilizar correctamente el vertido de cobre es calcular una distancia de separación de las vías de unión adecuada, de modo que la matriz de vías suprima la diafonía y las interferencias. La alternativa sería utilizarlas como múltiples conexiones paralelas entre capas que puedan proporcionar baja resistencia e impedancia y que, por lo tanto, pueden aportar alta corriente en CC o CA.

En esta guía sobre las vías de unión en una PCB, repasaré algunos de los usos habituales de las vías de unión y cuándo es conveniente utilizarlas en una PCB. Este aspecto del diseño de PCB puede generar polémica entre algunos diseñadores, ya que está relacionado con el vertido de cobre, que a menudo se afirma que no es necesario en la mayoría de los diseños. Independientemente de la opinión que tengas sobre el vertido de cobre, las vías de unión tienen usos importantes en las PCB a bajas y altas frecuencias.

Los fundamentos de las vías de unión en una PCB

Las vías de unión son estructuras simples: consisten en una matriz periódica de vías que generalmente se conectan a tierra a través del stackup o apilado de capas de la PCB. De ese modo, hacen entre redes de tierra en varias capas. Ten en cuenta que hay un uso de las matrices de vía que implica conexiones de alimentación entre capas (ver más abajo). Estas estructuras también tienen usos importantes en el diseño de RF, lo que provoca que, a menudo, se utilicen las vías de unión de forma incorrecta.

En el vídeo que te mostramos a continuación, podrás encontrar algunas de las diversas formas en que se pueden utilizar las vías de unión en una PCB. Algunos de los principales usos de las uniones abarcan el diseño de PCB de alta velocidad, el diseño de PCB de RF y el enrutado de la alimentación a través de múltiples capas.

Echemos un vistazo a cada uno de estos usos de las vías de unión en una PCB con más detalle:

Uso típico: conexión a tierra

El uso estándar de las vías de unión es conectar tierras a través de múltiples capas. En una PCB multicapa, es habitual tener más de una región de cobre asignada a la misma red de tierra. Las vías de unión son una herramienta útil para conectarlas a cualquier parte y garantizar la mínima impedancia posible para cualquier corriente de retorno que se propague a lo largo del plano de referencia de la PCB.

Ten en cuenta que no es necesario utilizar vías de unión periódicas para realizar estas conexiones a través de todas las tierras. Las tierras deben conectarse a alguna parte y puede ser preferible llevar a cabo varias conexiones para garantizar que las rutas de retorno alcancen fácilmente el punto de retorno de alimentación.

Transiciones de capa por vías

Este es un ámbito en el que las vías de unión conectadas a GND demuestran realmente su utilidad. Las transiciones de capas en circuitos digitales y de RF deben tener una referencia de tierra clara para controlar la propagación de la señal a lo largo de una interconexión en una PCB. Al realizar una transición de capa, una vía de unión cercana en una matriz de vías de unión puede llevar a cabo la misma función que el plano de tierra por debajo de una pista.

Por lo general, si se coloca una matriz de vías de unión en una PCB, cabe la posibilidad de que haya una vía de unión cerca de una transición de capa a través de una vía de señal. En algunos casos, es probable que funcione bien, y también es probable que no tengas que preocuparte por la emisión de ruido o la susceptibilidad al ruido dentro de la región de transición de vías. La presencia de una vía de unión conectada a tierra cerca de la vía de señal debería ser suficiente para suprimir el ruido, especialmente para los GPIO, I2C o UART lentos, o para cualquier otro protocolo digital lento, (lo mismo se aplica para los analógicos de baja frecuencia).

Con la alta velocidad digital y la RF, la situación es diferente y es necesario tener una matriz de vías de unión diseñada a propósito cerca de la vía de señal. La matriz de vías de unión en la PCB está diseñada para proporcionar una ruta de baja impedancia para la corriente de retorno inducida a lo largo del borde de las vías de unión. La otra razón para colocar vías de unión en estas transiciones es confinar el campo electromagnético que comprende esta señal dentro de la estructura de la vía delimitada por la vía de unión.

En este caso, al mecanismo de supresión de ruido se le suele llamar "apantallamiento", como si las vías evitaran el acoplamiento de ondas electromagnéticas en una interconexión víctima. Esto es correcto hasta cierto punto. Tener la estructura de la vía de unión cerca de la vía de señal puede proporcionar reducción de ruido en la PCB de dos maneras:

1. La inductancia de bucle en la región de la vía es menor porque la vía está más cerca de la tierra.
2. Estar más cerca de la tierra provoca que la transición de la vía de señal a la vía de tierra domine la capacitancia total experimentada a lo largo de la vía.

El segundo punto equivale a reducir la capacitancia parasitaria acercando un plano de tierra a una pista de señal. En este artículo, he mostrado cómo esto reduce el acoplamiento capacitivo parásito a otras redes de señales; en este caso, cabría esperar el mismo tipo de resultado.

Las vías de unión y el antipad afectan a la impedancia de la vía

El resultado efectivo de la modificación de la capacitancia y la inductancia en la sección anterior es que la colocación de vías de unión en una transición de capas determinará la impedancia de la vía. Una pieza relacionada es el antipad, que idealmente debe cruzarse con las vías de unión, de modo que conjuntamente modifiquen la impedancia. La mayoría de las calculadoras de impedancia de vía no son capaces de tener en cuenta la impedancia real de la vía de unión debido a la presencia de disposiciones de vías de unión y al tamaño del antipad alrededor de una transición de capa.

Aunque las vías de unión y el antipad a través de los planos de tierra afectan a la impedancia, la impedancia de entrada en la vía no se desviará apreciablemente de los 50 ohmios (o aproximadamente 100 ohmios diferenciales) hasta que la frecuencia supere los 3-5 GHz aproximadamente. A bajas frecuencias, no necesitarás preocuparte por el tamaño de las vías de unión y del antipad que afectan a la impedancia de la vía, lo más probable es que no notes ningún efecto porque la vía será muy corta eléctricamente. Por encima de los 5 GHz aproximadamente, este efecto cobra una mayor importancia, ya que las vías de unión colocadas incorrectamente y los antipads grandes no proporcionarán suficiente carga capacitiva, lo que dará como resultado una transición inductiva de vía con impedancia alcanzando los 100 ohmios aproximadamente. A continuación, se muestran los parámetros S de un ejemplo de transición de vías sin vías de unión y antipad grande.

Las vías de unión en este caso no son la influencia más fuerte en la carga capacitiva del par diferencial a frecuencias medias. Cuando las vías de señal tienen una separación mayor, las vías de unión tienen más influencia en la impedancia de la señal. Cuando las vías de señal están más cerca, el antipad es el mayor determinante de la impedancia de la vía. Cuando las vías de señal están muy juntas y el antipad es pequeño, es posible que no notes ninguna influencia proveniente de las vías de unión.

¿Proporcionan apantallamiento las vías de unión?

La respuesta corta es que "sí", pero solo hasta ciertas frecuencias. Cuando se utiliza con la intención de proporcionar apantallamiento, es posible que el diseñador se limite a conjeturar sobre la separación necesaria entre vías. En algunos casos, lo que llamamos apantallamiento en las guías de onda debería denominarse en realidad confinamiento de campo. Independientemente de cómo quieras llamarlo, las vías de unión pueden bloquear la propagación de ondas electromagnéticas hasta una frecuencia máxima.

Para una frecuencia dada que quieras suprimir, el paso entre las vías debe ser de aproximadamente:

Este requisito de espaciado en las vías de unión destinado específicamente a bloquear la propagación de ondas electromagnéticas es el mismo que se utiliza para confinar las ondas dentro de una guía de ondas en una PCB.

A continuación, se muestra un ejemplo de una guía de ondas coplanar con conexión a tierra utilizada como línea de alimentación de antena. En este ejemplo, el paso es de 20 mil, lo que sería adecuado para apantallar hasta 43 GHz si nos fijamos en la ecuación anterior. Si tuviéramos señales de alta velocidad viajando cerca, podríamos esperar una alta eficacia de apantallamiento a lo largo de esta línea de alimentación y eso ayudaría a suprimir la diafonía en la línea de RF.

Creo que es importante tener en cuenta que las vías de unión no son una solución mágica para el ruido y no son la excusa perfecta para no seguir las prácticas de enrutamiento recomendadas. Debes seguir utilizando las estrategias de colocación y enrutamiento adecuadas para las placas de RF, incluso si has utilizado vías de unión de la forma indicada anteriormente.

Vías de unión para alimentación

Cuando se utilizan en un diseño de PCB para un sistema de alimentación, las vías de unión no se colocan normalmente en la disposición típica con gran espaciado. De hecho, es posible que no veas que se utilicen en absoluto en grandes regiones de vertido de cobre conectado a tierra en ese tipo de diseños. Sin embargo, las matrices de vías de unión pueden utilizarse para crear transiciones de capas de baja resistencia en una red eléctrica. Esto permitiría a una vía transferir grandes cantidades de corriente con baja pérdida entre capas.

¿Cuántas vías de unión se necesitan para transferir una cantidad determinada de corriente? Esto dependerá de la resistencia de CC de la vía típica. Para un diámetro de orificio de vía y un tamaño de almohadilla habituales (10/20 mils) y un grosor de pared de 1 mil, la resistencia de la vía será de aproximadamente 1,5 mΩ, y la resistencia térmica será de aproximadamente 180 °C/W. Si intentas transportar 20 A de CC a través de esta vía, disiparías 600 mW de potencia y es de esperar que la temperatura de la vía aumente 108 °C.

Para poder mantener el aumento de la temperatura dentro de un límite aceptable, nos interesa utilizar múltiples vías en una matriz. Si usamos 10 de estas vías en paralelo, cada vía transportaría 2 A de CC y el aumento de temperatura esperado sería de 1,08 °C para cada vía (y, por lo tanto, para toda la matriz). Esto debería mostrarte cómo puedes utilizar un objetivo de aumento de temperatura para determinar un límite en el número de vías de unión en el diseño de la PCB.

Automatizar la colocación de las vías de unión en una PCB

Si tenemos en cuenta que la colocación de vías de unión implica ubicar y distribuir una gran variedad de vías alrededor de una placa de circuito impreso con un espaciado preciso, esto puede resultar complicado con la mayoría de las herramientas CAD. Las herramientas CAD más sencillas obligan a colocar manualmente las vías de unión, probablemente después de tener que copiar y pegar cada fila o columna alrededor de la placa para formar la matriz.

Altium Designer incluye una sencilla herramienta en el editor de PCB para la colocación de vías de unión con un tamaño y espaciado definidos por el usuario. Puedes colocar las vías de unión seleccionando una plantilla de vía o configurando una transición de capa y un tamaño de vía personalizados. Esta función es accesible desde el menú "Herramientas" dentro del editor de PCB. Consigue más información sobre esta función en la documentación.

Así pues, ¿existe una forma objetivamente "correcta" de utilizar las vías de unión? No siempre hay una respuesta clara a esta pregunta. He mostrado algunos casos en los que se utilizan vías de unión con fines muy concretos:

• Si solo necesitas conectar la tierra (sin alta velocidad/RF), las vías de unión son útiles pero no son necesarias.
• Si se proporciona una referencia entre capas, las vías de unión también son prácticas para señales de baja velocidad a fin de minimizar la EMI.
• En el caso de la alimentación, las vías estrechamente espaciadas pueden proporcionar una corriente alta con un aumento mínimo de la temperatura.
• Para las transiciones de señal de alta velocidad, no puedes confiar en que las vías de unión colocadas al azar garanticen la integridad de la señal.

Eso deja el apantallamiento como una cuestión pendiente en cuanto al tamaño, el espaciado y la colocación de las vías de unión. Para obtener más información, echa un vistazo a este artículo sobre el vertido de cobre en los diseños de PCB para conocer algunos de los efectos de las vías de unión en el acoplamiento de ruido y la EMI.

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