Blog
¿Qué es el cosido en el diseño de PCB y lo necesitas?
Al examinar los diseños de PCB, muchas personas consideran que las vías de "stitching" (unión) son insignificantes porque suelen representarse como objetos pequeños y repetitivos dispuestos de manera uniforme, a menudo semejantes a un patrón industrial.
La mayoría de los ingenieros utilizarán vias de unión una vez que hayan completado el enrutamiento de su PCB y hayan rellenado el cobre. Normalmente añadirán algunas vias de unión a lo largo de la periferia de la PCB y lo considerarán aceptable. No siempre funcionan; por lo tanto, es importante utilizar las vias de unión correctamente.
La mayoría no reconoce que los vías de costura son parte de la estructura electromagnética de la PCB y controlarán las rutas de retorno. Reducirán las emisiones de interferencia electromagnética (EMI) de la placa de circuito impreso (PCB), aumentarán la conductividad térmica del cobre e incluso proporcionarán estabilidad mecánica adicional a la PCB. Una vez que los ingenieros vean las vías de costura como un elemento estructural de su PCB, comenzarán a ver un mejor rendimiento en sus PCB.
Este artículo no proporciona reglas para el uso de vias de costura en lo que respecta a las directrices generales de diseño, sino que expone las razones por las que las vias de costura son importantes y cómo utilizarlas correctamente.
Qué hace una puntada vía
En términos básicos, una vía de cosido se utiliza para conectar áreas de cobre entre capas en una PCB. Más específicamente, conecta planos de tierra que normalmente se aplastan durante los diseños de PCB multicapa; sin embargo, esta explicación simple no transmite mucho sobre la intención de las costuras.
Los planos de tierra creados por diseños de PCB multicapa tendrán múltiples capas de conexiones; si no hubiera vías de conexión (stitching vias), solo habría un par de puntos de conexión entre esos planos (almohadillas de die y almohadillas de montaje). Esto hará que el plano de tierra se comporte incorrectamente debido a que el flujo de corriente puede ser desigual, además de causar problemas de impedancia.
Las vías de cosido ayudan a establecer rutas de baja impedancia verticalmente entre las capas de la placa. Esta conexión vertical cumple algunas funciones críticas.
Uno es mejorar el flujo de la corriente de retorno, las señales de alta velocidad rápida y los niveles lógicos digitales dependen en gran medida de un plano de referencia continuo para su correcto funcionamiento. Si no hay un plano de referencia o hay una interrupción en el plano de referencia, la señal de retorno tendrá que viajar más, lo que puede crear una alta EMI alrededor de la traza debido al área de bucle aumentada, creando así un mal funcionamiento. Un vía de costura reducirá la longitud total del bucle de corriente vertical, disminuyendo así la impedancia inductiva respectiva.
El segundo punto es mantener la transmisión de un campo electromagnético. Una vía de costura actuará como una valla alrededor de una traza de alta velocidad o el borde de una placa y eliminará virtualmente la radiación y reducirá la susceptibilidad de la placa.
Una vez comprendido el impacto del detalle de la costura de vía (control de bucle actual y contención del campo electromagnético), ya no se desarrollará un diseño con un método aleatorio para realizar esta función.
Costura de Vías y Control de Corriente de Retorno
La suposición de que la corriente de retorno en una placa de circuito se propaga uniformemente por el plano de tierra puede generar problemas en el diseño de la placa. En realidad, la corriente de retorno no se propaga uniformemente cuando regresa de la carga a la fuente; la corriente de retorno viaja por el camino de menor impedancia, que generalmente será verticalmente hacia abajo a través del plano de tierra debajo de la traza de la señal, creando un camino de corriente de retorno vertical.
Cuando la traza de la señal atraviesa de un lado a otro la placa a través de un agujero pasante (via), existe la posibilidad de que no haya un camino de retorno de corriente, ya que en cada lado del agujero pasante hay un plano de referencia diferente. En este caso, la corriente de retorno se ve obligada a viajar lateralmente a través del plano de referencia para encontrar la conexión más cercana y retornar a la fuente, y como resultado, el área del bucle aumenta. El aumento del área del bucle se traduce en un aumento de la radiación y el ruido emitidos desde la carga.
Para minimizar las emisiones electromagnéticas (EMI), si coloca vías de costura cerca de la vía de la señal, proporcionará una ruta de retorno vertical para la corriente de retorno. La adición de la vía de costura disminuirá significativamente los problemas de EMI. La ubicación de la vía de costura se encuentra después de que los ingenieros fallan las pruebas de compatibilidad electromagnética (EMC); luego realizan las modificaciones necesarias y ven una drástica disminución en las emisiones.
Costuras alrededor de los bordes del tablero
La costura del borde de la placa se ve ampliamente en diseños de RF y digitales de alta velocidad.
Al observar las placas RF, normalmente se puede ver una fila de vías de tierra en el perímetro/borde de la PCB. Al ubicar las vías de unión a lo largo de los bordes, se crea una estructura de "cuasi-cavidad" (los planos de tierra superior e inferior se conectan a intervalos regulares, formando así una barrera a la radiación de borde).
Esto es de particular importancia en diseños de alta velocidad en el borde, como DDR, PCIe, USB 3.x o transmisores de RF. Incluso si su diseño no es estrictamente de RF, las señales digitales rápidas actuarán como señales de RF.
El espaciado importa aquí porque si las vías están demasiado separadas, ya no funcionarán como una valla. Una buena regla general para el espaciado es mantenerlo por debajo de 1/10 de la longitud de onda de la frecuencia más alta de interés. Sin embargo, muchos diseñadores usan un espaciado entre 2 mm y 5 mm, dependiendo de las restricciones de su diseño.
Beneficios térmicos de los vías cosidos
La mayor parte del tiempo, cuando hablamos de vías de cosido (stitching vias), nos centramos en los problemas de EMI. Sin embargo, las vías de cosido también ayudan térmicamente. Las planos de cobre pueden disipar el calor por toda la placa; sin embargo, si se genera calor en una capa de cobre y el cobre de otra capa no está correctamente conectado a la primera capa, el calor no se disipará de manera tan eficiente.
Al colocar vías de costura en áreas de alta potencia del circuito, creará una ruta térmica vertical o la capacidad de que el calor fluya verticalmente a través de los varios planos de cobre, así como horizontalmente. Ahora, estas rutas térmicas verticales realmente pueden ayudar en dispositivos de potencia, como MOSFET, reguladores de voltaje y LED.
En ciertos casos, los diseñadores colocarán una serie de vías térmicas directamente debajo de las almohadillas. Técnicamente, esto no proporcionará el mismo tipo de unión que la unión a tierra en el perímetro de la placa. Aun así, proporciona un beneficio similar al tener múltiples vías conectadas para proporcionar conductividad vertical.
Así que, al considerar puntos calientes en tus PCBs, no pienses solo en aplicar más cobre, piensa en conectar todas las trazas y capas de cobre verticalmente.
Costura cerca de trazas de alta velocidad
La integridad de la señal y la EMI en el enrutamiento de alta velocidad están interrelacionadas. Cuando una traza en un plano de referencia es continua (sin divisiones), los campos de la traza permanecen mayormente confinados al área que hay sobre ella. Una vez que el plano de referencia se rompe o la traza cruza una división, los campos ya no estarán contenidos.
Como ejemplo, al enrutar pares diferenciales a lo largo de una capa que cambia de un plano de referencia continuo, si se colocan vías de costura cerca de la traza diferencial para proporcionar rutas de retorno locales, la integridad de la señal mejora. Algunos diseñadores colocarán cercas de vías al lado de las trazas en aplicaciones de RF además de las rutas de retorno. Esta técnica de costura reducirá la cantidad de diafonía y mejorará el aislamiento entre circuitos sensibles.
Si se realizan excesivas operaciones de pegado, el costo total y la complejidad de la fabricación aumentarán. Se trata de encontrar un equilibrio, al igual que en todos los aspectos del diseño de PCB.
Consideraciones de fabricación
En el software de diseño, es fácil crear vias de costura; sin embargo, añadir vias de costura aumenta el tiempo requerido para taladrarlas y puede tener un impacto negativo en el rendimiento del producto.
Un número muy denso de vías aumentará los costos de fabricación. Si se añaden microvías, los costos aumentarán aún más. Además, colocar demasiadas vías cerca de los bordes de la placa podría comprometer la integridad estructural de la placa si no están espaciadas correctamente.
Para evitar cualquier problema, es importante contactar a su fabricante de PCB con anticipación y preguntar sobre el tamaño mínimo de taladro, las limitaciones de la relación de aspecto y los requisitos de anillo anular.
Las vías de cosido deben ser eléctricamente funcionales y poder fabricarse. Si diseñas un cosido que no se puede producir de manera consistente y confiable, no tiene ningún valor diseñarlo.
Cuando no se necesitan vías de cosido
No toda placa debe tener un diseño excesivo con costuras agresivas. La mayoría de las placas de circuito de dos capas de baja velocidad funcionarán bien sin un denso conjunto de vías de costura. Por ejemplo, los planos de tierra y las áreas de cobre en las placas de circuito impreso de dos capas suelen ser suficientes para lograr un buen rendimiento del circuito.
El sobrediseño de una placa de circuito impreso puede aumentar los costos sin mejorar el rendimiento; por lo tanto, la madurez de ingeniería necesaria para saber cuándo aplicar la técnica es tan importante como la madurez de ingeniería necesaria para saber cuándo no aplicarla.
Costura y pruebas EMC
La importancia de la costura por puntada como parte de las pruebas EMC también es comprensible para numerosos ingenieros.
Existen casos en los que una placa se prueba con éxito en un entorno de laboratorio, pero posteriormente falla en las pruebas de emisiones radiadas. Ejemplos de remedios sencillos son la cinta de cobre, cables de tierra adicionales o el rediseño con una cantidad suficiente de costuras.
Lo más probable es que los problemas de continuidad a tierra sean la razón principal de estas fallas. Las placas que pasan regularmente las pruebas de EMC prestan mucha atención a los detalles con respecto a sus uniones a tierra y, por lo general, incluyen conexión a tierra en o cerca de los conectores y los bordes de las placas, así como una cantidad adecuada de conexión a tierra en las áreas de alta velocidad.
Es más económico diseñar adecuadamente las costuras durante las fases iniciales de desarrollo, en lugar de rediseñar el producto después de que falle.
Costura de Vías y Estabilidad Mecánica
Una ventaja adicional que normalmente no se tiene en cuenta es el soporte mecánico proporcionado por los vias cosidos. Los vias cosidos pueden ayudar a proporcionar integridad mecánica al coser múltiples capas entre sí, lo que reduce la posibilidad de que grandes bloques de cobre en una PCB se delaminen o flexionen debido al ciclo térmico.
En entornos automotrices e industriales propensos a vibraciones, este soporte mecánico adicional ayuda a aumentar la longevidad y la fiabilidad de una PCB.
De nuevo, este no es el propósito principal de los vias pegados, pero es una ventaja adicional.
Errores comunes que cometen los ingenieros
El primer error es generalmente colocar vías de conexión al azar, después de que el enrutamiento se ha completado. Al no comprender por dónde fluye la corriente, las vías de conexión a veces pueden no ser de ninguna ayuda.
En segundo lugar, algunos ingenieros colocan vías de cosido demasiado lejos de una transición de señal adyacente. Una vía de cosido que esté a 10 mm de la vía de señal no podrá retornar corriente de manera efectiva.
Un tercer error común es olvidar añadir vías de cosido a los planos de potencia en ocasiones. La referencia de tierra no es la única referencia en la placa.
Finalmente, algunos ingenieros utilizarán en exceso los "stitching vias", dificultando el enrutamiento y aumentando significativamente el costo de la placa.
Consideraciones finales
Por último, pero no menos importante, las vías de perforación o "through-hole stitching vias" son pequeños componentes que desempeñan roles muy importantes en un circuito al afectar el rendimiento de la EMI, la integridad de la señal, proporcionar disipación térmica y contribuir a la resistencia mecánica. No son una cosa de belleza, ni son visualmente atractivas en las fotos utilizadas con fines publicitarios. Sin embargo, a menudo se asocian con un diseñador de PCB experimentado.
Los ingenieros profesionales no incluyen vías de unión basándose en un requisito escrito. Las incluyen porque poseen conocimiento de la dirección de la corriente y del patrón de conductancia del campo. Las vías de unión reflejan características más profundas sobre el diseño de la PCB y la atención al detalle del diseñador.
En PCBCool, ofrecemos servicios profesionales de fabricación y montaje de PCB, con la capacidad de proceso necesaria para diseños exigentes. Con equipos avanzados de taladrado CNC y taladrado láser, podemos fabricar PCBs con un diámetro de agujero mínimo de 0,08 mm, lo que ayuda a los clientes a soportar estructuras de vía más finas y requisitos de diseño más estrictos en aplicaciones de alta densidad.
Preguntas frecuentes (PF)
R: No siempre. Depende del fabricante, del proyecto específico y de los requisitos del cliente. Para proyectos con exigencias de mayor fiabilidad, como la electrónica médica y automotriz, la inspección óptica automática (AOI) se realiza normalmente en cada placa.
Sí. Para proyectos con requisitos especiales de calidad, PCBCool puede seguir las prioridades de inspección definidas por el cliente, los criterios de aceptación, los rangos de tolerancia o los requisitos específicos de control de defectos.
Abraash Vnest trabaja en proyectos electrónicos relacionados con la defensa, con un enfoque en el desarrollo de esquemas, la solución de problemas de circuitos, las pruebas y la documentación técnica. También desarrolla firmware STM32 e implementa protocolos de comunicación industrial como CAN.
