Diseño de pads apilados y el proceso de fabricación — Parte 1

«Apilado de pads» es un término que utiliza el personal de composición de PCB y los fabricantes de PCB para referirse a todas las características asociadas con un orificio en una placa de circuito impreso. El orificio puede ser chapado, sin chapar, pasante, ciego o enterrado. Los componentes de la pila de pads incluyen el tamaño del orificio perforado, el tamaño del orificio acabado, el tamaño de los pads trazados en las capas internas y externas, las separaciones en planos a través de los cuales pasan los orificios perforados en la PCB y las separaciones en la máscara de soldadura aplicada a las capas externas de la PCB.

La historia del proceso de fabricación de PCB es, cuando menos, variada. En este artículo, describiremos la evolución en el sector, los elementos de una pila de pads y consideraciones relativas a la capacidad de fabricación y fiabilidad. El uso de pads de descarga térmica como parte de este proceso se trata en la Parte 2 de este artículo. Además, habrá un artículo de seguimiento, en el que trataremos lo que ocurre cuando se intenta enrutar dos pistas entre los pines de encapsulados BGA con paso de 1 mm.

El pasado accidentado de la fabricación de PCB

Para comprender cómo el sector de la fabricación de PCB ha evolucionado hasta su estado actual, conviene examinar su historia. Lee Ritchey, fundador y presidente de Speeding Edge comenta que «Una de las cuestiones que siempre se han planteado a los talleres de PCB es «por qué no son tan buenos como los fabricantes de circuitos integrados».

Gordon Moore señaló una vez que era importante considerar la historia de los fabricantes de PCB. Los fabricantes de circuitos integrados procedían de laboratorios universitarios, mientras que los fabricantes de PCB venían de talleres de cromado de parachoques para automóviles.

El nivel de cualificación en esos talleres era el grabado y enchapado de metal. Como consecuencia, no hubo una competencia técnica específica del sector en los talleres de placas durante años y años. No había siquiera químicos para controlar los baños galvánicos».

Ritchey continúa: «Al principio, Dibble era nuestro fabricante preferido porque hacían la placas de seis capas mejor que nadie. El encargado del chapado metía un dedo en la bañera y se lo chupaba para probarlo y decidir si era apto para fabricar las placas. A partir de esta “prueba”, decidía si había que añadir algo».

«Con otro fabricante, teníamos estas placas de formato grande y queríamos asegurarnos de que no se utilizasen capas internas con circuitos abiertos», prosigue Ritchey. «Esta empresa tenía bancadas de mujeres que inspeccionaban visualmente cada capa interna. Cuando encontraban un cortocircuito, lo extirpaban con un cúter. Cuando encontraban uno abierto, lo soldaban con un poco de alambre. La mayoría de estos circuitos abiertos y cortocircuitos se debían a la falta de limpieza en las instalaciones donde se creaban las imágenes. Los artes se manchaban con polvo y otras partículas. En una de las instalaciones, había un tipo que tenía un cenicero en la mesa donde inspeccionaba la película utilizada para las imágenes de las capas internas.

El estado del sector hoy

Desde los humildes comienzos citados anteriormente, el sector de la fabricación de PCB ha madurado a pasos agigantados. Como señala Ritchey, “Los talleres buenos han mejorado a la hora de alinear las capas. Parte del problema siempre ha sido que, durante la laminación, las capas internas tienden a encogerse un poco. Los talleres buenos ahora hacen pruebas

de los materiales para determinar cuánto encogen durante la laminación y compensan el arte con fotoplóteres. La combinación de alinear las capas y hacer las perforaciones en el lugar correcto se ha vuelto tan buena que, a lo largo de un panel de 18x24, solo tenemos que hacer concesiones de +/- 5 milésimas de pulgada (mil). Este es todo el margen de error acumulado. Esto incluye colocar las capas y alinearlas entre sí».

Esto no quiere decir que el proceso de fabricación de PCB sea pan comido, de ninguna manera. Por ejemplo, la posición de los orificios perforados en las PCB antes se hacía sin tener en cuenta de qué forma las separaciones entre estos afectaba a los planos. Como se muestra en la Figura 1, cuando las velocidades eran lentas, la colocación de los orificios tan juntos que las separaciones en los planos de potencia podían solaparse y formar ranuras en todas las capas del plano, no afectaba negativamente el rendimiento.

A medida que las velocidades han aumentado, las ranuras en los planos pueden degradar enormemente la integridad de la señal. Y lo que es peor aún, cuando los orificios perforados están tan juntos, no es posible enrutar pistas entre orificios adyacentes. Este es un requisito indispensable para las PCB que tienen muchas capas de señal. Además, antes, había suficiente espacio entre los pines adyacentes de un componente, como un encapsulado de matriz de rejilla de pines o un DIP, por lo que era posible dejar separaciones grandes en los planos para optimizar el rendimiento de fabricación, sin preocuparse de la integridad de la señal. 

Esto quiere decir que el diseño de pads de PCB apilados no era una parte esencial

del proceso,

_{Figura 1. Pads de separación, o antipads, superpuestos en planos para la fabricación de circuitos impresos}

Con la llegada de BGA de 1,27 mm, 1 mm y 0,8 mm y otros componentes de paso fino, ya no hay suficiente espacio para permitir que en la fabricación se establezcan estas dimensiones, sin correr el riesgo de que afecte negativamente a la

integridad de la señal. Por otro lado, ya no es aceptable que el equipo de integridad de la señal tome estas decisiones sin tener en cuenta la posible degradación de la capacidad de fabricación y la fiabilidad.

Por consiguiente, es necesario que los equipos de ingeniería y fabricación trabajen juntos para proyectar las dimensiones de los orificios, pads y separaciones, a fin de cumplir con todos los requisitos. Los medios para lograr esto se describen más adelante.

Elementos de un apilado de pads

En la figura 2, se muestra un orificio perforado y chapado en una PCB. Este es, con mucho, el tipo de orificio más común en placas PCB.

Otros incluyen vías ciegas y enterradas, y orificios pasantes sin chapar. Estos aspectos se tratarán en un próximo artículo.

_{Figura 2. Diseño de padstacks: orificio pasante chapado en sección transversal}

Los elementos visibles del orificio que se muestra en la figura incluyen lo siguiente:

• Los pads de captura de las dos capas externas.
• Los pads de captura de las capas internas.
• El diámetro del orificio perforado.
• El chapado del orificio.
• La sombra proyectada por el orificio perforado a través de la PCB.
• El orificio de separación en el plano por el que pasa el orificio.

No se muestran las separaciones en las máscaras de soldadura superior e inferior.

Las definiciones de los aspectos críticos de la figura anterior son:

• Relación de aspecto. La longitud de un orificio perforado dividida por su diámetro.
• Via. Cualquier orificio pasante chapado que se utilice para conectar una señal desde la superficie a una capa interna o para cambiar capas.
• Pad de captura. Pad utilizado para establecer una conexión desde una pista a una vía u orificio pasante chapado. Este pad «captura» el chapado en el orificio perforado.
• Pad de separación. Se trata, en realidad, de un orificio grabado en un plano a través del cual pasan los orificios perforados. Se conocen a veces como antipad, ya que el arte del plano se creaba como negativo en los primeros fotoplóteres.
• Sombra de orificio. Cilindro cuyo diámetro corresponde al del orificio perforado más el margen para el desvío de perforado. Esta sombra se proyecta en todas las capas, y es la superficie utilizada para calcular el espacio de aislamiento en planos o pistas.
• Capa del plano. Lámina de cobre que forma una de las capas de una PCB.
• Corona. Diámetro extra de un pad de captura con respecto al tamaño mínimo de pad necesario para "capturar" exactamente la sombra proyectada por el orificio perforado. Este cobre adicional sirve para hacer una conexión entre una pista que entre en un pad y el chapado del orificio. Es importante observar que esta conexión nunca debe estar en la sección transversal final de la pista. (Esta condición podría provocar un fallo en la unión durante la soldadura).
• Descentramiento. Condición en la que el orificio perforado está tan alejado de su centro que no está todo contenido dentro del pad de captura. Esto puede reducir la fiabilidad de la PCB, al crear un aislamiento más fino de lo necesario o al crear una conexión a tope (frontal) entre una pista y un orificio pasante chapado.
• Pads no funcionales. Pads en capas internas que no se necesitan para conectar una pista a un orificio pasante chapado. (Los pads no funcionales no son necesarios en las operaciones de fabricación de PCB modernas. Se ofrece una explicación detallada de esto en la Referencia 2, al final de este artículo).

En la figura 3, se muestra una vista aérea de la estructura de la figura 2.

_{Figura 3. Diseño de padstacks: vista aérea del orificio pasante chapado mostrado en la figura 2}

Consideraciones sobre fabricación y fiabilidad

Para garantizar que el diseño de un apilado de pads de PCB cumpla con los requisitos de fabricación y fiabilidad, hay que tener en cuenta una serie de factores, entre los que se incluye:

• Las tolerancias en el peor de los casos asciendan al aislamiento mínimo entre conductores opuestos (en este caso, el chapado de los orificios y el cobre en las capas de los planos y las capas de las pistas). Estas deben cumplir los estándares aplicables al producto de ingeniería. (Por ejemplo, la separación de aislamiento mínima para las PCB que cumplen con GR-86 Core, la especificación que trata el equipo destinado a uso en telecomunicaciones, es de 4 milésimas de pulgada (mil.). Para la mayoría de los otros productos es de 5 mil.)

• Las conexiones entre pistas y orificios pasantes chapados o vías deberán ser robustas

• La relación entre el diámetro perforado y la longitud del orificio (relación de aspecto) sea tal que el cobre y el segundo metal utilizado para proteger el cobre durante el grabado de la capa externa puedan chaparse de manera fiable en toda la pared del orificio con un grosor que resista, sin fallar, los esfuerzos a las que se someta la PCB.

Además de lo anterior, es necesario tener en cuenta que los orificios perforados no siempre pasarán a través de la PCB como se especifica. Esto puede deberse a las siguientes razones:

• El perforado puede desviarse a medida que el taladro pasa a través de la PCB.
• Puede haber un error en la alineación de las distintas capas de película.
• El laminado en sí encogerá ligeramente durante el proceso de laminación, y la máquina de perforado tendrá un cierto nivel de error al ubicar cada orificio.
• Durante la laminación, las capas podrían no registrarse entre sí con precisión.

Cuando los orificios perforados se desvían un poco de la posición donde deberían estar, se conoce como desvío de taladro. Cada fabricante ha calificado su proceso general y ha llegado a una tolerancia, conocida como tolerancia de taladro, que sirve para definir la sombra de cada orificio perforado. Los mejores fabricantes pueden mantener este error, que a menudo se conoce como valor TIR, en ± 5 mil.. Los fabricantes estadounidenses de nivel medio pueden mantener esta tolerancia en ± 6 mil., mientras que el fabricante promedio asiático de PCB para gran consumo puede mantener esta tolerancia en ± 7 mil. Evidentemente, al trabajar en diseño de pads apilados para PCB, el diseñador deberá saber dónde se fabricará la PCB para tener en cuenta este error. Para aquellas PCB fabricadas en grandes volúmenes, la tolerancia de desvío de taladro deberá ser mayor.

Cuando los componentes de orificio pasante se sueldan en orificios pasantes chapados de una PCB, el calor necesario para que la soldadura fluya hacia el espacio entre la pista del componente y la pared del orificio hará que este calor de soldadura fluya hacia los planos de potencia de la PCB en cada pin donde haya una conexión entre el componente y un plano. Esto se traduce en conexiones de soldadura de baja calidad y en la necesidad de hacer rectificaciones muy difíciles en caso de que la pieza deba sustituirse. Para aislar térmicamente el orificio del plano y posibilitar una soldadura correcta, se utiliza un elemento llamado lazo térmico. En la Parte 2 de este artículo, trataremos los lazos térmicos, sus características físicas y su funcionalidad. Mientras tanto, puedes ver otros artículos en mi blog, en los que se trata una amplia variedad de aspectos relacionados con el diseño de PCB, desde los materiales y la mejora de la integridad de la señal hasta cómo satisfacer las necesidades de mercados específicos.

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Referencias:

1. Ritchey, Lee W. and Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volume 2.”

1. Ritchey, Lee W., “Should non-functional pads be removed?” Boletín fuente actual, volume 1, número 1, mayo de 2004.