Vías 101 Parte 2

En este segundo artículo de "Vias 101", continuaremos desde nuestra discusión anterior sobre los parámetros esenciales de las vías. Esta vez examinaremos aspectos del posicionamiento de las vías, problemas con el posicionamiento de las vías que conducen a la formación de vacíos en los planos, y finalmente, veremos algunos casos de uso únicos de las vías denominados vías de transferencia y vías de unión.

Tenga en cuenta que hay muchos más parámetros y detalles sobre las vías en el diseño de PCB de los que cubriremos en este breve artículo. Sin embargo, el artículo proporcionará a los ingenieros de diseño de PCB principiantes un buen punto de partida para poder profundizar más en el tema. ¡Empecemos!

Colocación

Independientemente de si estamos tratando con trazas, componentes, contornos, vías, y así sucesivamente, siempre necesitamos pensar en las separaciones entre estos elementos, como entre vías y trazas, vías y vías, vías y pads, y así sucesivamente. Como de costumbre, las separaciones mínimas son detalladas por su fabricante de PCB o estándar elegido. Sin embargo,  le aconsejaría que se mantenga alejado de estos mínimos, no solo por razones de fabricación, sino también por otras razones como el diafonía.

Además, cuando estamos observando las vías de alimentación y tierra, queremos que sus conexiones con los pads de los componentes relevantes sean lo más cortas y anchas posible para minimizar las inductancias. Esto no significa colocar las vías en o directamente adyacentes a cualquier pad, sino a una distancia razonable para que no tengamos problemas con la succión del soldante.

Como las vías vienen en pares, queremos colocar típicamente las vías de alimentación y tierra cerca una de la otra para minimizar la inductancia y mejorar las características de entrega de energía.

Desvanecimiento

Cuando espaciamos las vías muy cerca una de la otra, nos encontramos con un problema conocido como desvanecimiento. Esencialmente, para las vías que atraviesan todo el grosor del PCB, colocar vías cerca una de la otra puede causar cortes en el plano de referencia debido a que los anti-pads de las vías están demasiado juntos. Un ejemplo de esto se puede ver a continuación en la imagen de un plano GND con vías no conectadas a tierra demasiado cercanas entre sí. Esto impedirá las corrientes de retorno y potencialmente puede causar problemas de EMI.

El problema de los vacíos en diseños densos puede ser difícil de evitar, especialmente cuando tienes un gran número de vías de señal en un área particular. Además, si fuéramos a trazar una pista sobre la división en el plano de referencia causada por los vacíos, puede ser muy perjudicial para el rendimiento de EMI. Las corrientes de retorno tendrán que fluir alrededor de esta división en el plano de referencia, causando que los campos se expandan, y aumentará la radiación y la firma EM.

Si el espacio lo permite, una solución simple para mitigar los vacíos en los planos de referencia es colocar las vías lo suficientemente separadas entre sí para que el cobre pueda fluir entre estos anti-pads de vía. 

Un método alternativo es usar vías HDI, ya sea micro-vías para disminuir el tamaño de los anti-pads, o vías ciegas y enterradas que no penetran los planos de referencia. Sin embargo, esto por supuesto conlleva un aumento en el costo de fabricación de PCB.

En cualquier caso, asegúrate de siempre revisar tus planos de referencia durante la etapa de diseño y enrutamiento en busca de vacíos. También recomiendo encarecidamente escanear tus archivos finales de salida Gerber en busca de vacíos.

Vías de Transferencia

Al cambiar de capas con un vía de señal, típicamente también cambiamos los planos de referencia (piensa en una placa de cuatro capas SIG-GND-GND-SIG, por ejemplo). Mientras aún estamos enrutando en la capa superior con una traza, para señales de AC (>20 kHz), el camino de retorno está directamente en el plano de referencia debajo. Una vez que estamos en la capa inferior, el camino de retorno está en el plano de referencia superior.

¿Qué sucede con el camino de retorno y, por lo tanto, con los campos cuando nos movemos a lo largo del vía en el eje Z al cambiar de capas? Entonces, los campos se dispersarán mientras intentan encontrar un punto de "acoplamiento" adecuado (un camino de retorno), lo cual a su vez puede ser una causa de problemas de EMI. En tales casos, queremos colocar un vía de transferencia, que básicamente es un vía conectado a tierra,  cerca del vía de señal. Esto es para mantener un camino de referencia y retorno definido mientras se realiza la transición a lo largo del Z. Note que este vía de transferencia solo funciona si las referencias entre las que estamos cambiando son del mismo tipo (por ejemplo, GND a GND). 

Si vamos a cambiar de una referencia de GND a PWR, necesitamos colocar un capacitor de pequeño valor cosido entre GND y la referencia PWR cerca del punto de transición.

Vías de Cosido

Hay dos razones principales para el cosido de vías. A menudo, en diseños de PCB de una sola capa o multicapa, tenemos múltiples capas de tierra o de alimentación, y múltiples vertidos de cobre de tierra o de alimentación. Sin las vías de cosido (ya sean de tierra o de alimentación), las diversas capas de tierra y de alimentación, así como cualquier otro vertido de cobre de tierra o de alimentación, no se conectarían bien entre sí. Se crearía una diferencia de voltaje entre ellas, en particular a frecuencias más altas debido a la impedancia, y específicamente a la inductancia. Para mitigar esto, necesitamos unirlas con vías.

Al colocar vías de cosido, podemos unir estas capas y vertidos en varias ubicaciones X-Y en la PCB. Además, cada vez que tenemos islas de cobre, que a menudo pueden no estar unidas en absoluto (o estar mal unidas) con solo un pequeño número de vías, estas islas de cobre pueden actuar como antenas, resonar y luego incluso irradiar. Esto, por supuesto, puede ser muy perjudicial para el rendimiento EMI de una placa.

La segunda razón o uso para las vías de conexión es para propósitos de blindaje. En efecto, podemos usar una “pared” de vías de blindaje para suprimir la energía de las ondas electromagnéticas (hasta cierta frecuencia) de entrar o salir de una sección del PCB. El espaciado de los blindajes se determina por la frecuencia máxima aparente en un PCB. Por ejemplo, para un PCB de audio esta frecuencia podría ser 20 kHz, y para un PCB de RF podría ser 2.4GHz, si no es que más alta.

Una vez que conoces la frecuencia máxima de tu PCB, simplemente necesitamos usar esta fórmula para calcular el espaciado, donde c es la velocidad de la luz, ε es la constante dieléctrica, y f nuestra frecuencia máxima de interés:

Por ejemplo, a 2.4 GHz, y con enrutamiento en trazas de capa externa (microstrip), la fórmula nos da un espaciado de vía de conexión de 3.4 mm.

En esta serie de artículos, hemos examinado los conceptos básicos de las vías en el diseño de PCB, viendo parámetros de las vías, como tamaños de taladro y pad, tipos de vías, y para qué se pueden usar las vías, incluyendo vías de transferencia y de conexión.

Asegúrate de explorar todas las funciones integradas de vías de Altium Designer, incluyendo las capacidades para manejar tipos de vías más complicados encontrados en placas HDI, como micro-vías, ciegas y enterradas.