PCB multicapa de 4 capas
El escalón por encima de las placas doble cara: dos planos internos dedicados dan a cada pista de señal un camino de retorno limpio, hacen practicable la impedancia controlada y liberan una verdadera densidad de rutado. Así se fabrica exactamente una placa de 4 capas, de qué está hecha, cómo diseñarla bien y qué clases IPC y tolerancias se aplican.
Dos capas de señal, dos planos dedicados
Una placa de 4 capas apila cuatro capas de cobre en lugar de dos. La disposición estándar, la más recomendada, es Señal – Masa – Alimentación – Señal : las dos capas exteriores siguen siendo fáciles de rutar y de soldar, mientras que las dos capas interiores son planos de cobre completos dedicados a la masa y a la alimentación.
Este plano de masa interno se sitúa directamente bajo la capa de señal superior, y es lo que realmente cambia el comportamiento de la placa: cada pista de señal tiene ahora un camino de retorno corto, directo y de baja inductancia justo al lado, en lugar de tener que compartir espacio y corriente con todo lo demás en una sola capa de referencia. Es el mecanismo detrás tanto de una mejor integridad de señal como de una menor EMI radiada en una placa de 4 capas, y es también lo que hace practicable laimpedancia controlada : la impedancia depende de una pista situada a una distancia controlada y uniforme sobre un plano de referencia completo, algo que la estructura de solo pistas de una placa de 2 capas no puede garantizar de forma fiable.
Una alternativa menos habitual, Masa-Señal-Señal-Masa, duplica el apantallamiento para diseños especialmente sensibles al ruido a costa de la proximidad directa al plano de alimentación: para la mayoría de los diseños, Señal-Masa-Alimentación-Señal sigue siendo la mejor elección por defecto.
- Sistemas embebidos demasiado densos para 2 capas
- Controladores industriales y equipos de comunicación
- Centralitas de automoción y módulos de sensores/mando
- Diseños digitales y mixtos de velocidad moderada
- Cualquier diseño que requiera un verdadero plano de referencia de impedancia controlada
El proceso de fabricación, paso a paso
A diferencia de una placa de 2 capas, una placa multicapa no existe como panel único antes de prensarse. Todo lo que precede a la laminación se realiza en capas separadas y finas: es también la razón por la que la inspección de las capas internas importa tanto, porque una vez prensado el stackup esas capas quedan selladas en el interior y ya no se pueden volver a tocar.
Exposición y ataque químico de las capas internas
Las capas de masa y de alimentación se construyen primero como su propio core fino de doble cara: la fotorresina se expone con el dibujo del plano, se revela y se ataca el cobre no deseado.
AOI de las capas internas
Antes de cualquier laminación, el core interno atacado se escanea frente a los datos CAM originales para detectar interrupciones, cortocircuitos, muescas o residuos de cobre: la última oportunidad de detectar un defecto que la laminación sellaría de forma definitiva.
Tratamiento de óxido
Un tratamiento de óxido negro/marrón vuelve microscópicamente rugosa la superficie del cobre interno, para que la resina del prepreg pueda unirse realmente a ella durante el prensado.
Stackup (lay-up)
El core interno, las hojas de prepreg (tejido de resina-vidrio sin curar) y las dos láminas de cobre exteriores se apilan en el orden correcto y se mantienen en registro X-Y preciso con pasadores de utillaje antes del prensado.
Laminación
Todo el stackup se cura con calor y presión en una prensa de laminación. La resina del prepreg se funde, fluye alrededor de los elementos de cobre de las capas internas y se endurece, uniendo de forma permanente las cuatro capas en una única placa sólida.
Taladrado
Solo ahora, cuando la placa se ha convertido en una unidad mecánica sólida, se taladra mecánicamente. Un agujero pasante estándar atraviesa las cuatro capas de cobre a la vez; alcanzar solo algunas requiere vías ciegas o enterradas, una opción aparte y más cara.
Desmear / etchback
El taladrado genera suficiente calor por fricción para extender resina fundida sobre el cobre recién expuesto en cada pared de agujero. El desmear la elimina, y el etchback retira ligeramente la resina en cada interfaz de capa, para que el metalizado pueda establecer un verdadero contacto con el cobre de cada capa.
Metalizado PTH
Se deposita una capa de cebado de cobre químico sobre las paredes de los agujeros ya limpias y después se refuerza con cobreado galvánico, formando el barril continuo que conecta eléctricamente las cuatro capas a través de cada agujero.
Exposición y ataque químico de las capas externas
La misma secuencia exposición-revelado-ataque del paso 1 se repite sobre las dos láminas de cobre exteriores, definiendo esta vez el dibujo final del circuito exterior, barriles de los agujeros metalizados incluidos.
Máscara de soldadura
La máscara de soldadura fotosensible líquida se aplica en las dos caras exteriores, se expone y se revela, dejando libres los pads y las aberturas de los agujeros y protegiendo el resto del cobre.
Serigrafía
Las referencias, las marcas de polaridad y el texto de leyenda necesario se imprimen sobre la máscara de soldadura.
Acabado superficial
Se aplica un acabado soldable y resistente a la oxidación (HASL-LF, ENIG, etc.) sobre cada pad de cobre expuesto.
Fresado de contorno
Las placas individuales se recortan del panel de producción según su contorno final.
Prueba eléctrica — abiertos y cortocircuitos
Cada red se prueba en cuanto a continuidad y y a aislamiento respecto a cualquier otra red: ahora hay que comprobar cada combinación capa-capa pertinente, no solo la continuidad arriba-abajo, porque un cortocircuito interno hacia un plano sería invisible a una simple comprobación de dos puntos.
Verificación del alineamiento de las capas
La inspección por rayos X o en sección transversal confirma que las capas internas han permanecido correctamente alineadas entre sí y con las capas exteriores durante el prensado, según el método 2.1.1 de IPC-TM-650 para el muestreo destructivo.
Control final
Una última pasada óptica sobre las capas exteriores terminadas, seguida de una inspección dimensional y visual frente al plano de fabricación y la clase IPC acordada, antes del embalaje.
Core, prepreg y cobre
Un stackup multicapa se construye con dos tipos distintos de material FR4, y la distinción importa: el core es un laminado prefabricado, completamente curado, con una lámina de cobre ya unida en ambas caras: de él se ataca la capa interna de masa/alimentación. El prepreg es un tejido de fibra de vidrio preimpregnado de resina, solo parcialmente curado: permanece semirrígido hasta que la laminación lo funde y lo endurece por completo, y no lleva cobre propio; existe solo como capa aislante y de unión entre el core y las láminas exteriores. El espesor final de la placa resulta de la combinación de estos espesores de core y de prepreg.
| Tipo de tejido | Tejido | Contenido de resina típico | Uso |
|---|---|---|---|
| 1080 | Fino | ~60–68% | Distancias dieléctricas finas, ajuste fino de la impedancia |
| 2116 | Medio | ~48–56% | Prepreg polivalente, el estándar más común |
| 7628 | Grueso, denso | ~42–48% | Distancias dieléctricas mayores, más rigidez mecánica |
El espesor de cobre se define por capa, no solo por placa: las capas internas y las externas suelen especificarse de forma distinta y la capacidad de corriente debe juzgarse por separado en cada capa; una pista enterrada entre dos planos disipa el calor mucho peor que la misma pista expuesta al aire en una capa exterior, por lo que espesores de cobre idénticos en el interior y en el exterior no dan capacidades de corriente idénticas. Para el propio sistema de resina, las placas multicapa se benefician de una temperatura de transición vítrea más alta que la que necesita una simple placa de 2 capas: más esfuerzo térmico de laminación y de reflow atraviesa un stackup más grueso y complejo, por lo que el material High-Tg (170 °C+) es la elección por defecto más segura una vez superadas las 2 capas, no solo una opción de mejora.
Reglas de layout y DFM para placas de 4 capas
Sacar un verdadero valor de las dos capas adicionales es una decisión de layout, no solo de fabricación.
Clases IPC y normas de calidad
Las placas multicapa son el punto en el que las clases IPC dejan de ser una formalidad: con las capas internas selladas en el stackup, los criterios de aceptación que regulan el alineamiento y el metalizado son los que determinan realmente si un defecto habría podido detectarse alguna vez.
| Clase IPC-6012 | Uso típico | Alineamiento de las capas |
|---|---|---|
| Clase 1 | Electrónica de consumo general: el requisito de fiabilidad más bajo | — |
| Clase 2 | Electrónica de servicio dedicado: el estándar de facto para la mayoría de las producciones multicapa | ≈ ±75 µm (3 mil) |
| Clase 3 | Alta fiabilidad: aeroespacial, médica, industrial de alta fiabilidad | ≈ ±50 µm (2 mil) |
IPC-6012 fija el umbral de cualificación/rendimiento; laIPC-A-600 es la norma complementaria de aceptación visual que realmente se usa para juzgar lo que se encuentra. LaIPC-2221 es la norma de diseño genérica para separaciones y aislamientos en cualquier tipo de placa, con laIPC-2222 añadiendo encima reglas específicas de las placas rígidas, entre ellas simetría del stackup y control del alabeo. El alineamiento de las capas y la integridad del metalizado en una placa multicapa terminada se verifican mediante una sección transversal según el método 2.1.1 de IPC-TM-650, la única forma de inspeccionar directamente lo que realmente hay en un stackup sellado.
Nuestras especificaciones reales para placas de 4 capas
Todo lo anterior es práctica general del sector. Esto es lo que fabricamos realmente, en nuestras instalaciones, en Iași.
| Espesor de la placa | 0,51 – 2,4 mm |
| Espesor de cobre | 18 / 35 / 50 / 70 µm |
| Temperatura de transición vítrea (Tg) | 135 °C estándar, 150 °C o 170 °C bajo petición |
| Pista / separación mínima | 0,15 mm / 0,15 mm |
| Taladro mínimo | 0,3 mm (pad de 0,5 mm) |
| Panel máximo (4–6 capas) | 335 × 440 mm |
| Máscara de soldadura | Verde, blanco, negro, rojo, azul, amarillo |
| Acabado superficial | HASL-LF (sin plomo, conforme con RoHS) |
| Pruebas | Prueba eléctrica al 100% (cortocircuitos y circuitos abiertos, flying probe) e inspección AOI en cada placa |
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