Guía sobre la fabricación de placas de circuito impreso de multicapas para ingenieros

A medida que los dispositivos electrónicos ganan rendimiento y se hacen más pequeños, también aumentan los requisitos de precisión y prestaciones de las PCB.

Las PCB con un alto número de capas ofrecen más capas de ruteado, lo que permite diseños de circuitos más complejos y densos y responde a las necesidades de la transmisión de alta frecuencia y alta velocidad. Además, consiguen una mejor integridad de señal y compatibilidad electromagnética. Esto es especialmente importante en aplicaciones de gama alta como las comunicaciones 5G, la computación de alto rendimiento y la electrónica de automoción. Por eso, las PCB con un alto número de capas se han convertido en una de las grandes tendencias de futuro del sector. Si eres ingeniero de diseño de PCB o de hardware electrónico, también es fundamental que conozcas su proceso de fabricación.

En las PCB con un alto número de capas no se trata solo de añadir capas: la dificultad de fabricación también se multiplica. En comparación con las placas de una y dos capas, su fabricación exige prestar atención a la conexión entre capas, al apilado y la alineación de las capas y a un control preciso del laminado. Y durante el diseño hay que tener en cuenta factores como la integridad de señal, las interferencias electromagnéticas y la gestión térmica para aprovechar al máximo sus ventajas.

Desde el proceso y los equipos hasta la capacidad de diseño, el control de calidad y la colaboración, las placas con un alto número de capas exigen a los fabricantes de PCB unos estándares de fabricación más altos. En este artículo vas a conocer algunos de los pasos clave en la fabricación de este tipo de PCB.

1. Envío de la información de fabricación  

Para empezar la fabricación de una PCB, primero tienes que enviar al fabricante la información de fabricación necesaria. Estos son los datos y los formatos más habituales:

Archivos Gerber (formato RS274X)  

El Gerber RS274X es el formato más extendido. Los archivos Gerber que generas incluyen todas las capas de circuito, las capas de máscara de soldadura, las de pasta, las de serigrafía, el contorno de la placa, el plano de taladros y los requisitos de fabricación (como el esquema del apilado de capas, el espesor del dieléctrico entre capas, los requisitos de control de impedancia o de relleno de vías, etc.). Además, los Gerber tienen que permitir a los ingenieros de proceso del fabricante identificar fácilmente a qué capa corresponde cada archivo. Por eso se recomienda nombrar los archivos Gerber siguiendo una convención, y JLC ofrece una buena referencia para ello.

Archivo de taladros  

El archivo de taladros contiene las coordenadas y los diámetros de todos los taladros. El formato más utilizado es Excellon.

Datos de la netlist  

IPC define un formato compatible, el IPC-356, que incluye toda la información necesaria para generar las netlists y los datos del test eléctrico. En comparación con las placas de una o dos capas, una documentación completa es fundamental para fabricar una PCB multicapa. La información más importante de la documentación de fabricación es:

- La estructura completa de capas  

- Información precisa sobre el sustrato  

- En las placas de alta frecuencia y alta velocidad, el fabricante y el nombre comercial del sustrato  

- Los requisitos de control de impedancia  

- Las instrucciones de procesos especiales (como los requisitos de relleno de vías)

2. Revisión de la información de fabricación  

El fabricante revisa la información de fabricación para estimar el coste aproximado y preparar la producción. Un análisis previo a la fabricación permite ahorrar tiempo y material. La responsabilidad del fabricante es comprobar si sus capacidades de proceso cumplen los requisitos del producto.

El fabricante puede ajustar la información de ruteado del diseño según su proceso, por ejemplo compensando el diámetro de las vías o el ancho de las pistas por el grabado, para mejorar la fabricabilidad de la PCB. Los ajustes importantes se consultan con el equipo de layout para que los confirme. Lo ideal es tener en cuenta la fabricabilidad (DFM) ya durante el diseño de la PCB, porque así se optimiza el diseño y se ahorra mucho tiempo en la comunicación posterior con el fabricante.

Si haces tu pedido en JLCPCB, puedes elegir el servicio personalizado de «confirmación del archivo de producción». Si revisas y confirmas con atención ese archivo, podrás detectar cualquier problema de tu diseño, y también cualquier error en el procesado de JLC.

3. Preparación de los materiales  

Para fabricar placas de una y dos caras se usan directamente laminados de cobre con el espesor final del producto. Las placas multicapa, en cambio, son distintas: llevan varias capas de cobre dentro de su estructura, y por eso necesitan sustratos especiales. Para fabricarlas se combinan prepreg (PP) y laminados de cobre relativamente finos (núcleos) y se laminan hasta conseguir el espesor final. La estructura del laminado se define según los parámetros eléctricos: la acuerdan el diseñador y el fabricante, y se planifica antes del layout para cumplir los requisitos de impedancia de cada ancho y separación de pista.

Según la estructura del laminado, el espesor del prepreg varía para responder a las distintas necesidades de las líneas de transmisión y de las combinaciones de planos de alimentación. Cada tipo de prepreg se fabrica con un tipo concreto de tejido de fibra de vidrio, identificado con números como 1080, 2116, 3313 o 7628. En la siguiente imagen puedes ver estas referencias:

El segundo componente de las placas multicapa es un laminado de cobre más fino que el de las PCB de una y dos caras, que se conoce como núcleo. Es un sustrato totalmente curado con lámina de cobre en una o en las dos caras. También hay núcleos sin cobre.

Los núcleos también se fabrican laminando prepreg y lámina de cobre, en este caso a cargo de los proveedores de sustratos. Estos proveedores siguen la norma IPC-4101 y la demanda del mercado, y combinan prepregs con distintos tipos de tejido de fibra de vidrio y contenido de resina con láminas de cobre de espesores determinados para fabricar distintos tipos de laminados de cobre.

Aunque la placa multicapa la fabrica el fabricante de PCB, los sustratos los suministran los proveedores de sustratos. Ten en cuenta que hay muchas especificaciones de sustrato y que cada fabricante de PCB tiene un stock distinto. Si tu apilado necesita tipos especiales de prepreg o de núcleo, lo mejor es consultarlo antes con el fabricante para saber el plazo de suministro del material.

Para fabricar PCB de altas prestaciones hacen falta materias primas de calidad. El sustrato tiene un papel clave en la fabricación de la PCB, ya que influye en su rendimiento y su fiabilidad: propiedades eléctricas, comportamiento térmico, resistencia mecánica, facilidad de procesado y resistencia al entorno.

En cuanto a sustratos, JLCPCB utiliza materiales de calidad de fabricantes líderes. En las placas de 4 y 6 capas, JLC usa materiales de KB y de Nan Ya (Taiwán), de alta calidad y fiables. Los materiales de KB usan como base resina epoxi reforzada con fibra de vidrio (FR-4) de alta calidad y lámina de cobre de alta pureza como capa conductora, y se procesan con procedimientos estrictos que les dan una gran calidad y rendimiento. Se usan mucho en el sector electrónico.

Nan Ya también tiene una buena reputación en el mercado. Sus materiales ofrecen excelentes propiedades eléctricas, gran resistencia mecánica y rigidez, y resisten bien las altas temperaturas y los productos químicos, lo que mejora la fiabilidad y la vida útil del producto.

En las placas de 8 capas o más, JLC usa materiales de Nan Ya y de Shengyi. Shengyi es un conocido fabricante chino de laminados de cobre, y sus materiales son de alta calidad, alto rendimiento y gran fiabilidad. Son muy reconocidos y se usan en control industrial, instrumentación médica, electrónica de consumo, automoción y otros productos electrónicos.

4. Proceso de fabricación de las placas multicapa  

Como ves en el diagrama del proceso de fabricación, las placas multicapa añaden una etapa de procesado de las capas interiores respecto a las PCB de una y dos caras. El paso clave es el control del apilado y el laminado de las capas interiores, que es decisivo para el comportamiento eléctrico de las líneas de transmisión con impedancia controlada. Una vez terminadas las capas interiores, el proceso sigue igual que en las placas de una y dos caras hasta la inspección final.

Si se detalla todo el proceso de producción de una placa multicapa, suele haber unos 200 pasos distintos. Como diseñador de PCB, es fundamental que conozcas los distintos tipos de sustrato y sus propiedades, el proceso de fabricación de las placas multicapa y las técnicas de soldadura. Combinando prepregs y laminados de cobre (núcleos) de distintas especificaciones se puede conseguir cualquier espesor necesario. En los apilados multicapa es fundamental que las capas sean simétricas y tengan el mismo espesor, y que el cobre de las capas interiores esté repartido de forma uniforme en esas capas simétricas. Si el reparto no es uniforme, la tensión térmica al calentarse puede hacer que la PCB se alabee.

Uno de los factores que más influyen en la calidad de una placa multicapa es la alineación precisa entre las capas. Las capas tienen que estar perfectamente alineadas; si no, después de taladrar pueden aparecer circuitos abiertos o cortocircuitos entre capas. Esta alineación se consigue con taladros de referencia y pasadores de posicionamiento durante el apilado. Para que las capas interiores se adhieran bien al prepreg, la superficie del cobre se somete a un tratamiento químico que le da rugosidad, conocido como óxido marrón (brown oxide). Inspeccionar las capas interiores antes del laminado es clave para garantizar la calidad, porque en esa fase todavía se pueden reparar los defectos de conexión u otros problemas que se detecten. Normalmente la inspección se hace de forma automática con AOI (inspección óptica automática), que compara el circuito grabado con los datos CAD.

La imagen anterior muestra el proceso de laminado de una PCB multicapa rígida de 6 capas: A1, A2 y A3 son prepregs; L2-L3 y L4-L5 son laminados de cobre de doble cara con los circuitos interiores ya hechos, y B1 y B2 son las láminas de cobre de las capas exteriores.

El principio del laminado en las PCB multicapa rígidas convencionales consiste en apilar varios laminados de cobre de doble cara (con los circuitos interiores ya hechos y el tratamiento de óxido marrón para mejorar la adherencia). Entre cada laminado se coloca prepreg, que actúa como aislante para evitar cortocircuitos entre las capas de cobre. Al calentarse, la resina del prepreg vuelve a fundirse y une todos los laminados. Después, las capas se conectan entre sí mediante taladros metalizados. El proceso de fabricación multicapa de JLC permite fabricar placas de hasta 32 capas, lo que cubre la mayoría de las aplicaciones.

Un control preciso del laminado es fundamental para la impedancia característica de las líneas de transmisión con impedancia controlada. Durante el prensado, al subir la temperatura, la resina epoxi del prepreg se funde y fluye, rellena los huecos entre conductores y une las capas interiores. El flujo de resina afecta a la distancia entre la capa de señal y su capa de referencia, que es lo que más influye en las variaciones de impedancia.

Como ves en la imagen, el diseño de la PCB acaba panelizado en un gran panel de trabajo para la producción. Para controlar la impedancia característica, también es fundamental que la resina fluya de forma uniforme por todo el panel durante el laminado. Aquí, las prestaciones de la prensa de laminado son decisivas.

Los equipos son uno de los factores que influyen en la calidad de las placas con un alto número de capas. JLC utiliza equipos de primer nivel en el sector para garantizar esa calidad.

Prensa de laminado

JLCPCB utiliza prensas de laminado totalmente automáticas de última generación de la marca taiwanesa Vigor, que aportan más estabilidad y un laminado de mayor calidad. Vigor es un proveedor especializado en equipos para PCB, y sus prensas ofrecen gran precisión, alta fiabilidad y sistemas de control avanzados para cumplir los requisitos de apilado y laminado de las PCB con un alto número de capas.

Después del laminado llega el taladrado, y a partir de ahí se siguen los mismos pasos que en las placas de una y dos caras. Aun así, hay algunas diferencias: por ejemplo, JLC ofrece gratis servicios adicionales que mejoran la calidad en la fabricación de placas con un alto número de capas.

Una de estas mejoras es el acabado de oro por inmersión (ENIG) mejorado. JLC aplica oro por inmersión en todas las PCB de 6 a 32 capas, con un aumento gratuito del espesor a 2 μ" (micropulgadas). El oro por inmersión es uno de los acabados superficiales más caros del sector, y ofrece una excelente conexión eléctrica, resistencia a la corrosión y soldabilidad. La capa de oro deja una superficie metálica lisa y uniforme, que favorece una buena transmisión de señal y el control de la impedancia. También garantiza estabilidad y durabilidad durante la soldadura, y su excelente resistencia a la corrosión alarga la vida útil de la PCB.

Además del oro por inmersión, JLCPCB aplica gratis la tecnología de vías rellenas de resina en todas las placas de 6 a 32 capas (relleno de resina y tapado con metalizado). Las vías son críticas para la calidad de la PCB, porque cumplen un papel esencial en los dispositivos electrónicos: hacen posibles los circuitos complejos y su fiabilidad. Con el tiempo, las vías pueden corroerse por distintos motivos, lo que provoca fallos de conexión, atenuación de la señal, cortocircuitos, fugas y problemas de fiabilidad. La tecnología de vías rellenas de resina resuelve eficazmente estos problemas.

PCB fabricadas con oro por inmersión y tecnología de vía en pad (via-in-pad)

En resumen, fabricar placas multicapa no consiste solo en añadir una etapa de capas interiores al proceso de las placas de una y dos caras. Tampoco basta con entregar los archivos de producción al fabricante. Como mínimo, durante la fase de diseño tienes que conocer las capacidades de proceso del fabricante y aplicar los principios de DFM (diseño para la fabricación). Antes de empezar a rutear, habla con el fabricante para confirmar los materiales y el apilado necesarios, de forma que cumplas los requisitos de las líneas de transmisión con un coste y unos plazos razonables.