Diseño de PCB multicapa: fabricación de tarjetas para PCBs de alto voltaje

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Una de mis películas preferidas es Shrek. Puso de manifiesto la jerga nerd de mis amigos y hermanos, junto a fuentes de frases más tradicionales, como Star Wars. Hay una escena que sobresale particularmente, cuando Shrek le explica a Burro que los ogros, como él, son criaturas complejas. "Las cebollas tienen capas. Los ogros tienen capas. Las cebollas tienen capas. ¿Lo entiendes? Ambos tenemos capas". Burro señala que no a todos les gusta la cebolla, pero que a todos les gusta el pastel. Durante un laboratorio de diseño de PCB, un amigo mío señaló que las PCBs multicapa están entre el pastel y la cebolla, en el espectro de cosas con capas que a uno le gustan.

Dada la complejidad de las PCBs multicapa, muchas veces creo que se encuentran más cerca de la cebolla que del pastel. Algo que me ayuda a quererlas más es entender cómo están fabricadas, y cómo ese proceso afecta mi diseño. Es incluso más importante comprender los impactos de la fabricación si tiene un diseño de alto voltaje.

�Cómo se fabrican las tarjetas multicapa?

Cuando envía su diseño de PCB a un fabricante, ellos crean un sinnúmero de capas separadas que, al final, se integran en una tarjeta terminada. Las pistas de cobre se imprimen y graban, y luego se laminan. Estas capas se comprimen con material aislante por medio de prensas hidráulicas increíblemente potentes; luego se procesan las capas superiores e inferiores de la tarjeta.

Las capas internas de la tarjeta están hechas de“prepreg” (abreviatura de preimpregnado), que es fibra de vidrio impregnada con resina. El porcentaje de resina en el prepreg determina cómo se presiona la placa en la prensa hidráulica. Usted quiere optimizar la cantidad de prepreg y la viscosidad en base a su aplicación final y evitar cualquier falla durante la fabricación. Es como acertarle al glaseado y a la torta, para una torta en capas final.

Si el porcentaje de pegamento en el prepreg es demasiado alto, se estrujará entre las capas. Si bien esto sería ideal para una imagen de glaseado, es muy engorroso y negativo para la fabricación de las PCBs, como lo puede imaginar. Si hay demasiado prepreg, y la tarjeta es muy gruesa, esto invalida todos sus cálculos de protección de voltaje.

La resina en la PCB es como el glaseado en una torta. Si aplica la cantidad equivocada, puede ser engorroso.

�Qué es la resina?

Para una PCB estándar, es probable que los fabricantes utilicen material prepreg de alto volumen y bajo costo, el cual tiene un contenido de resina bajo y un contenido de vidrio alto (el vidrio influye en la penetración de la resina). Para aplicaciones de alto voltaje, se necesita de un prepreg que tenga unalto porcentaje de resina para que no queden vacíos, luego de que las capas se prensen. Esos vacíos modifican el dieléctrico eficiente de sus capas aislantes y son otro modo de invalidar todo su plan de protección de voltaje.

Los prepregs especializados de alto voltaje como 1080 o 2113 son una buena elección aquí. Tienen un porcentaje de resina mayor y capas más delgadas para evitar que ningún vacío o microburbuja queden atrapados, lo que mejora la densidad de todas esas capas. En nuestra materia de comidas en capas, una superposición al estilo baklava descascarada es realmente mala para un rendimiento de alto voltaje. Estos prepregs también tienen estilos de vidrios más pequeños, entonces la resina penetra mejor. Son mucho más costosos, pero brindan, en comparación, una mejor protección contra el alto voltaje.

�Qué tan anchas son las capas?

Una capa de prepreg típica normalmente tiene un espesor de ~0,002" (0,05 mm). Es posible hacer sus capas de prepreg con un ancho personalizado, pero esto tiene un costo mayor y casi nunca tiene mucha ventaja en el rendimiento final de la tarjeta. Sin embargo, como cualquier fabricación, las especificaciones del prepreg tienen una tolerancia. Pregúntele a su fabricante cuál es la tolerancia para el prepreg que utilizará.

Un error pequeño de porcentaje de medio milímetro no parece mucho. Cuando comienza a poner docenas de capas juntas, esto suma y puede comenzar a afectar sus especificaciones finales. Generalmente, la tolerancia del prepreg tiende hacia el lado más ancho, en vez de una mezcla entre ancho y fino que establece una media al final.

�Qué sucede luego de que las capas de las tarjetas se prensan?

Luego de que todas las capas de prepreg y cobre han resistido a la prensa hidráulica, las tarjetas terminadas se cocinan. Desafortunadamente, esto no nos lleva a nuestra temática del postre. Las tarjetas se cocinan alrededor de 20 horas a 260F (126,6°C) para una desgasificación final . Esto seca cualquier humedad restante en la resina y remueve compuestos volátiles eliminando, con suerte, cualquier microburbuja que haya quedado entre las capas.

Si la aplicación de PCB final se encuentra en el vacío o en un entorno de baja presión, las placas reciben un acabado adicional. Normalmente, esto consiste en una segunda cocción a una temperatura mayor, por cuatro o cinco horas, y proporciona una desgasificación final antes de que la tarjeta se utilice.

Las PCBs para el espacio u otras aplicaciones de baja presión reciben cocciones adicionales para la desgasificación.

Debido a que existen demasiadas variables que pueden afectar a su tarjeta, es una buena práctica comenzar a hablar con el fabricante en las primeras instancias del proceso. Asegúrese de que pueda utilizar el estilo de prepreg que desea y producir una tarjeta con el grosor adecuado. De ese modo, puede confirmar las reglas de diseño con ellos antes de complicarse con elecciones de diseño.

Establecer reglas de diseño, como el grosor de la capa, al comienzo del proceso de diseño, hace más fácil la detección de errores a medida que trabaja. Algunos  softwares EDA exigen que usted ejecute un guión para controlar, y luego rehacer cualquier problema. Otros, como Altium, pueden detectar problemas mientras trabaja y notificarlo, y así se reduce el rediseño de cualquier trabajo que pueda haber hecho antes de revisar nuevamente.

Si tiene alguna duda con respecto a cómo utilizar Altium para mejorar su proceso de diseño y fabricación, ellos cuentan con representantes que están a su disposición  para ayudarlo.