Sobre tierra movediza, los inconvenientes de los vertidos de cobre en circuitos impresos

Sobre tierra movediza, los inconvenientes de los vertidos de cobre en circuitos impresos

Hace poco en SI-List, también conocida como SI Reflector, (ver la nota al final de este artículo) ha habido mucha actividad sobre el tema de los rellenos de cobre como planos de tierra y sus ventajas en la implementación de PCB multicapa. Hubo argumentos para todos los gustos. Una persona dijo que un relleno como plano de tierra reduce las EMI, otra declaró que equilibra el cobre y hace que sea menos probable que la tarjeta se doble. Alguno comentó que hace que la fabricación de la tarjeta sea más barata, mientras que otro justo detrás indicaba que dificultaba el proceso de manufactura. 

La conclusión final es que no existe ninguna ventaja en la utilización de rellenos de cobre como planos de tierra. En este artículo se describe la historia de estos rellenos, sus supuestas ventajas y desventajas y por qué no son válidas. Además, se ofrece información sobre otro tipo de relleno, un relleno de capa de señal, junto con sus usos y beneficios. 

La historia de los rellenos como planos de tierra

Básicamente un relleno de cobre como plano de tierra se refiere a un área en una capa de señal de una PCB que se ha rellenado de cobre. La idea de los rellenos de cobre lleva desde siempre en el sector de las PCB y sus orígenes se deben a los gurús de la EMC que decían que los rellenos como planos de tierra reducirían las EMI. 

Con el paso de los años se han propuesto varias supuestas ventajas de los rellenos de cobre como planos de tierra, por ejemplo: 

• Ofrecen disipación adicional del calor. 
• Reducen la cantidad de grabado que se necesita hacer durante el proceso de fabricación de la PCB. 
• Reducen la posibilidad de que la PCB se doble. 

Lee Ritchey, fundador y presidente de Speeding Edge comenta lo siguiente: «La mayoría de las anteriores afirmaciones no son ciertas. Es verdad que los rellenos de cobre reducen la cantidad de grabado necesaria, pero este es un asunto de poca importancia que no afecta al funcionamiento general de una PCB». 

Para ser justos, también se han indicado varias desventajas de los rellenos de cobre. Entre ellas las siguientes: 

• Las antenas de parche parecen un relleno como plano de tierra. Estas pequeñas áreas pueden actuar como antenas y emitir ruido. 
• Cuando el cobre es espeso, el perímetro del disipador de calor dificulta la desoldadura durante las operaciones de reparación y servicio. 
• A menos que se usen vías ciegas o enterradas, cada vía bloquea rutas potenciales y la costura hace que todo sea más difícil. 

Ricthey continúa: «Con respecto a las antenas de parche, no se parecen a un relleno como plano de tierra si no están sobre otro plano y si están sobre otro plano, como un Vdd o plano de tierra, no funcionarán como antenas. Es verdad que la desoldadura durante las operaciones de reparación y servicio es más difícil cuando el cobre es espeso, pero esto supone que el relleno está conectado al área que estás soldando. Con respecto a este último punto, como se indicó en artículos anteriores publicados por Speeding Edge, las vías con costuras no resultan útiles en general, por lo que nunca se deberían incorporar a un diseño de PCB». 

Ritchey añade: «Mi respuesta ante todo esto es que si se examinan los millones de tarjetas que se fabrican con éxito a diario sin rellenos de cobre, se tendrán buenos motivos para sospechar. Basándome en mi experiencia personal de haber participado en el diseño de más de 5.000 tarjetas, nunca hemos realizado rellenos de cobre como planos de tierra y nunca hemos tenido ninguno de los problemas anteriormente mencionados por no haberlos utilizado. Además, ninguno de los “expertos” que se han decantado a favor de los rellenos como plano de tierra han sido capaces de mostrar pruebas físicas de que sus afirmaciones sean verdaderas. Esto es simplemente un mito más que lleva circulando desde siempre en el sector. Justo cuando pensamos que hemos acabado con él, vuelve a levantar la cabeza. El motivo son los jóvenes ingenieros que se encuentran con estas afirmaciones y tratan de encontrar información para comprobar su veracidad». 

Una de las cosas que cabe mencionar, es que al realizar las investigaciones para este artículo, he observado una distinción con relación a la efectividad de los rellenos de cobre en tarjetas de dos capas frente a las tarjetas multicapa. En concreto, la afirmación es que los rellenos de tierra resultan útiles para tarjetas de dos capas que carecen de planos de referencia sólidos y reduce las interferencias debidas al acoplamiento capacitivo. 

Ritchey explica: «Si quieres que las líneas de transmisión no presenten problemas de acoplamiento, tienen que viajar continuamente sobre un plano. Rellenar el espacio sin usar una tarjeta de dos capas con algo denominado relleno de tierra no va a lograrlo. No es continuo. Por desgracia mucha gente cree que acabarán con un plano cuando rellenan espacio sin utilizar con cobre y lo llaman de tierra. Parches rotos de material que se llaman “de tierra” no constituyen un plano». 

La anterior información sobre las tarjetas de dos capas se ofrece como punto de referencia. Las recientes actividades asociadas con los rellenos de tierra en SI Reflector se centraron en las tarjetas multicapa. Pero, si la tarjeta en cuestión es una tarjeta analógica de dos capas o una tarjeta digital multicapa, el uso de los rellenos de cobre como planos de tierra no conlleva ningún beneficio importante y, de hecho, puede llegar a dañar el funcionamiento final de una tarjeta. 

Rellenos de capa de señal

Hay ocasiones en las que rellenar el espacio sin utilizar en capas de señal con cobre puede crear capacitancia de plano adicional y necesaria. El relleno puede ser Vdd si el plano adyacente es de tierra o puede ser de tierra si el plano adyacente es Vdd. Básicamente el espacio sin utilizar en una capa de señal se rellena de cobre y a continuación se acopla al riel de potencia, tanto si es de tierra como Vdd, para crear capacitancia de plano adicional. Este tipo de operación se realiza a diario. 

Como ejemplo, la Figura 1 es un adaptador de tarjeta Ethernet de velocidad dual y factor de forma PCMCIA. Al principio, tal como estaba diseñado, tuvo fallos de EMI y no funcionaba bien. Este es el síntoma relacionado con una capacitancia de plano inadecuada. Por motivos de coste y grosor, añadir dos planos adicionales no era una opción válida. 

_{Figura 1. Dibujo de una PCB PCMCIA de seis capas con vertido de cobre de capa de señal}

Este diseño dispone de seis capas de señal. Son las siguientes: L1 parte superior; L2 plano Vdd; L3 señal; L4 señal L5 tierra, L6 parte inferior. El espacio sin utilizar en las cuatro capas de señal: L1, L3, L4 y L6, se ha rellenado con cobre. El cobre rellenado se acopló al riel de potencia apropiado para convertirlo en capacitancia de plano. El relleno en L1 y L3 se conectó a tierra porque el plano adyacente, L2, es Vdd. El relleno en L4 y L6 se conectó a Vdd porque L5 es tierra. Antes de rellenar las capas de señal con cobre para crear capacitancia de plano adicional, el tamaño de la  capacitancia entre planos era de 500 pF. Después de rellenar las capas de señal, la capacitancia entre planos era de 4000 pF o nF. Los gráficos de emisión de la Figura 2 muestran las emisiones de antes en azul, y las de después en rojo. Al rellenar el espacio sin utilizar en las capas de señal de esta pequeña PCB, tanto las emisiones como la estabilidad lógica mejoraron lo suficiente como para permitir el buen funcionamiento del producto. 

Figura 2. Gráfico de las EMI antes y después del vertido de cobre de la capa de señal para la PCB de la Figura 1

Ritchie indica: «Hay dos ocasiones en las que utilizo relleno en la capa de señal. Una es cuando no puedo permitirme añadir capas con el fin de lograr capacitancia entre planos. Eso fue lo que ocurrió en la anteriormente mencionada tarjeta PCMIA. La otra es cuando las dimensiones de la tarjeta son tan pequeñas que involuntariamente no se consigue mucha capacitancia entre planos».

Resumen

Las afirmaciones relacionadas con los rellenos de cobre como planos de tierra existen desde casi el mismo momento en el que surgieron los primeros diseños de tarjetas. Lo cierto es que no ofrecen ningún beneficio real y de hecho pueden perjudicar al funcionamiento de una PCB. Otro tipo de relleno, el relleno en la capa de señal, puede utilizarse para crear capacitancia adicional entre los planos cuando las dimensiones de la tarjeta son pequeñas o cuando la capacitancia entre planos aún no existe.

Nota: SI Reflector

La SI-List, normalmente conocida como SI Reflector, se creo el 16 de mayo de 1994 con 30 miembros en la lista de correo. Es un foro donde los ingenieros de integridad de la señal pueden plantear preguntas, responderlas, participar en debates y mantenerse al día con el sector. 

Referencias

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