Diseño de una PCB con componentes embebidos

El enfoque tradicional del diseño de placas de circuito ha consistido en colocar los componentes en las superficies superior e inferior de la placa. Este proceso está ampliamente respaldado por las empresas de ensamblaje de placas de circuito, que suelen utilizar máquinas automáticas de colocación de componentes para posicionar cada componente y dejarlo listo para soldarlo a la superficie. La demanda cada vez mayor de productos electrónicos más pequeños e integrados, junto con las frecuencias más altas de las señales de estos dispositivos, impulsa la investigación continua de mejores formas de fabricar y ensamblar un circuito.

Una técnica que permite aumentar la densidad y trabajar mejor con frecuencias de señal más altas consiste en embed componentes dentro de las capas de la estructura del circuito. Por ejemplo, integrar componentes discretos directamente debajo de un circuito integrado puede acortar los recorridos de las señales y reducir la resistencia y la inductancia parásita, lo que disminuye el ruido y las interferencias electromagnéticas (EMI), y mejora la integridad de las señales del circuito. Estas mejoras permiten obtener productos más pequeños y fiables, compatibles con señales más rápidas y mayores anchos de banda. Junto con las mejoras continuas en los procesos y las tecnologías de fabricación, también pueden reducir el tamaño del producto y los costes de fabricación y ensamblaje de la placa.

La integración de componentes impone una serie de requisitos poco habituales en cada etapa del proceso, desde el diseño y la fabricación hasta el ensamblaje, las pruebas y el mantenimiento del producto terminado.

¿Cómo se puede integrar un componente en la placa?

La integración de componentes introduce una diferencia importante en la fabricación de una placa de circuito: ya no existe una separación clara entre fabricar la placa desnuda y montar después los componentes sobre ella durante el ensamblaje. A menudo, estas dos tareas las realizaban empresas distintas, debido a sus requisitos de procesos y tecnologías claramente diferentes. Si se utilizan componentes integrados, deben montarse en la placa durante el proceso de fabricación. Aunque antes esto era competencia exclusiva de fabricantes altamente especializados, hoy en día los procesos se conocen bien y hay muchos fabricantes capaces de producir circuitos con componentes integrados.

Hay dos formas de integrar un componente: crear una cavidad abierta en la que se aloje el componente, de modo que permanezca visible en la placa terminada, o colocarlo en una capa interna durante la fabricación y cubrirlo después a medida que se añaden las capas superiores de la placa, de modo que no sea visible en la placa terminada.

Existen numerosos métodos para fabricar una placa con componentes integrados; la descripción y la imagen siguientes muestran uno de ellos.

1. Se parte de un núcleo rígido revestido de cobre por ambas caras; estas capas de cobre se graban y se taladran según sea necesario.
2. Se aplica una capa de preimpregnado y cobre en cada cara, que se graba y se taladra con láser según sea necesario.
3. Los componentes integrados se montan en esta capa (en una o ambas caras), por ejemplo, mediante la deposición de pasta de soldadura y un proceso de soldadura por reflujo.
4. Se añade una capa de preimpregnado con recortes para crear una cavidad para cada componente integrado.
5. Se aplica una capa exterior de preimpregnado y cobre en cada cara; estas capas se graban y se realizan taladros láser y pasantes según sea necesario.

  La placa se fabrica mediante tecnología de acumulación de capas; los componentes integrados se colocan y encapsulan como parte del proceso.
Observe las microvías taladradas con láser que se utilizan para acceder a un componente integrado en la cara inferior de la placa.

Diseño con componentes integrados

En el editor de PCB, los componentes pueden colocarse en cualquier capa de señal, no solo en las tradicionales capas de señal de las superficies superior o inferior. Si se colocan en una capa de cobre interna que queda cubierta, se denominan componentes integrados. Existen dos métodos para integrar componentes:

• Una cavidad definida por el usuario proporciona el espacio libre necesario alrededor del componente.
• En el caso de encapsulados pequeños, como el 0201, no hay cavidad: el componente simplemente queda encapsulado a medida que se añaden las capas posteriores, lo que genera un abultamiento en la ubicación de cada componente en la placa terminada.

Cuando un componente requiere una cavidad, esta puede quedar completamente cerrada dentro de la placa o extenderse hasta una de sus caras para crear una abertura. La imagen siguiente muestra 3 componentes integrados; los 2 exteriores tienen definida una cavidad que queda abierta hacia la cara superior de la placa. El componente central se encuentra en una capa inferior, por lo que queda completamente encerrado. Desde el punto de vista del diseñador, el proceso de colocación de componentes es el mismo tanto para los componentes con cavidad abierta como para los de cavidad cerrada.

Tres componentes integrados: las cavidades de los dos componentes exteriores están abiertas hacia la superficie de la placa y el componente central está completamente integrado en su interior.

Este componente está completamente integrado en el interior de la placa. Para facilitar la interpretación de la imagen, el componente se ha resaltado con contornos azules y la cavidad con contornos naranjas.

Definición de la cavidad en el componente de la biblioteca de PCB

Si un componente va a integrarse en la placa y requiere una cavidad, esta se define como parte de la huella del componente en el editor de bibliotecas de PCB. Tenga en cuenta que añadir una cavidad no impide utilizar ese componente en una capa superficial; en ese caso, el software ignorará la cavidad.

Para definir una cavidad:

1. Coloque un objeto de región en una capa mecánica. Coloque el objeto de modo que rodee el cuerpo 3D del componente y deje suficiente espacio libre a cada lado. Consulte al fabricante para determinar cuánto espacio libre se necesita.
2. Edite el objeto de región y establezca el atributo Kind en Cavity.
3. Compruebe que el atributo Layer corresponda a una capa mecánica adecuada.
4. Establezca el atributo Cavity Height en una altura adecuada; normalmente será la altura del cuerpo 3D más el espacio libre recomendado por el fabricante.

La imagen siguiente muestra el editor de bibliotecas de PCB, con:

• La definición de cavidad seleccionada, en verde, en la capa Mechanical 15.
• Los contornos rojos de los pads del componente.
• El sombreado morado de los objetos de cuerpo 3D que definen los dos pads y el cuerpo del condensador.

La cavidad se define colocando un objeto de región en una capa mecánica, estableciendo su Tipo en Cavidad y el Cavity Height en la profundidad de cavidad requerida.
Observe la región sombreada en morado: es el cuerpo 3D que se aloja en la cavidad.

Colocación y orientación de un componente integrado

Para integrar un componente, edite sus propiedades y establezca el Layer en la capa de cobre interna requerida. La orientación del componente integrado (hacia arriba o hacia abajo) se define mediante el Orientation especificado para esa capa de cobre en el Administrador de la pila de capas.

Establezca la Capa del componente en el panel Properties.

Establezca la orientación de los componentes en cada capa de señal en el Administrador de apilado de capas.

La interacción entre la cavidad y el apilado de capas

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La cavidad que se define en el editor de bibliotecas de PCB tiene un atributo de altura. Esta altura define la distancia a lo largo de la cual el software eliminará todas las capas situadas por encima de la superficie de la capa de cobre sobre la que se coloca el componente.

Para simplificar la interacción entre la cavidad y las capas que atraviesa, el software garantiza que ninguna capa se corte parcialmente. Si una cavidad penetra en una capa, por ejemplo, una capa dieléctrica, pero no la atraviesa por completo, el software extiende automáticamente la cavidad hasta atravesar toda la capa.

La siguiente imagen ilustra este comportamiento. Se han añadido líneas de dibujo más oscuras para mostrar las esquinas de la cavidad y cómo el componente queda por debajo de la superficie de la última capa cortada, aunque el recorte continúa hasta atravesar toda esa capa. Este comportamiento se aplica tanto a las cavidades internas como a las abiertas.

Si una cavidad no atraviesa una capa por completo, el software completa automáticamente la creación de la cavidad a través de esa capa.

Componentes embebidos, subapilados y apilados gestionados

La siguiente imagen interactiva muestra el Administrador de apilado de capas de un diseño rígido-flexible que incluye componentes embebidos. Cada zona o región independiente de un diseño rígido-flexible puede estar formada por un número diferente de capas. Para lograrlo, es necesario poder definir varios apilados, denominados substacks.

 Cuando se habilita la opción Rígido/Flexible, aparece el botón Selector de subapilados; haga clic en él para seleccionar y configurar cada subapilado. Pase el cursor sobre la imagen para ver el subapilado flexible.

Cuando se embebe un componente, el editor de PCB debe gestionar cómo afecta ese componente al apilado de capas, no solo en cuanto a su visualización, sino también en cuanto a los datos calculados, como las aberturas de la máscara de soldadura y la comprobación de las reglas de diseño. Para ello, crea un apilado para cada combinación única de capas de colocación y capas cortadas que requieren los distintos componentes embebidos incluidos en el diseño. Estos apilados se denominan Managed Stacks.

El apilado gestionado se crea automáticamente cuando se embebe un componente entre las capas de la placa. Dado que los apilados gestionados se crean automáticamente, no es necesaria la intervención del usuario para crearlos ni gestionarlos. El editor de PCB busca componentes embebidos, comprueba si alguno de los apilados gestionados existentes es adecuado y, si no lo es, crea uno nuevo. Lo mismo ocurre cuando se eliminan componentes embebidos: si un apilado gestionado deja de ser necesario, se elimina automáticamente. Para forzar al editor de PCB a comprobar si se necesitan nuevos apilados gestionados, alterne entre los modos de diseño 2D y 3D.

Al igual que los apilados de usuario, los apilados gestionados se muestran en el panel PCB cuando está configurado en Layer Stack Regions. La siguiente imagen muestra los apilados gestionados de dos componentes embebidos, R1 y C15. Utilice esta función para examinar la extensión de cada apilado gestionado en el plano X, Y.

Al examinar los apilados de capas, los dos apilados gestionados se ven a la derecha.

¿Cómo continuar?

• Los formatos de intercambio de datos de CAD a CAM Gerber X2 y ODB++ son compatibles con componentes embebidos.

• La norma IPC, IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitry, detalla las técnicas de diseño recomendadas para los componentes embebidos. 

• Los fabricantes de PCB son excelentes fuentes de información sobre tecnologías de fabricación, como los componentes embebidos. Por ejemplo, Wurth Electronik cuenta con una sección dedicada a la integración de componentes en su sitio web, con información sobre las reglas de diseño de dispositivos, las reglas de diseño del cobre y una guía de diseño para componentes embebidos. Consulte siempre con su fabricante cuáles son sus requisitos si su PCB utiliza componentes embebidos.