Por qué es importante la separación de la capa interna de PCB

En el diseño de placas de circuito impreso (PCB), el espacio libre de la capa interna se refiere al espacio o distancia entre las capas de cobre adyacentes dentro de la placa. Esta autorización juega un papel crucial para garantizar la integridad adecuada de la señal, el rendimiento eléctrico y la confiabilidad del circuito. En este artículo, exploraremos la importancia del espacio libre de la capa interna en el diseño de PCB y discutiremos su impacto en la funcionalidad general del circuito.

La importancia de la limpieza de la capa interna de PCB

El espacio libre de la capa interna de la PCB, también llamado espacio o espacio, es la distancia entre las pistas conductoras o características en las capas internas de una PCB. Desempeña un papel crucial para garantizar el funcionamiento confiable y eficiente de la PCB. A continuación se presentan algunas razones por las que la limpieza de la capa interna de la PCB es importante.

Aislamiento eléctrico

El espacio libre de la capa interna garantiza un aislamiento eléctrico adecuado entre pistas, almohadillas y elementos de cobre adyacentes en la PCB. Ayuda a prevenir cortocircuitos eléctricos y conexiones no deseadas que pueden provocar un mal funcionamiento o daños al circuito.

Integridad de la señal

Mantener una distancia adecuada entre los rastros de señal en las capas internas es fundamental para preservar la integridad de la señal. Al proporcionar suficiente espacio, minimiza la diafonía y la interferencia electromagnética (EMI) entre trazas vecinas, lo que reduce las posibilidades de degradación de la señal y garantiza una transmisión de datos precisa.

Consideraciones de voltaje

La separación de la capa interna es particularmente importante en aplicaciones de alto voltaje. Para determinar la holgura de la capa interna de una PCB, el fabricante primero debe conocer los voltajes alto y de trabajo de la placa de circuito. El voltaje de funcionamiento de la placa de circuito y sus correspondientes altos voltajes pueden variar ampliamente, por lo que la separación óptima de la capa interna puede ser diferente para diferentes voltajes y placas de circuito. El estándar IPC-2221 define las reglas para las separaciones de la capa interna de PCB. Esta norma cubre los detalles más críticos del diseño de PCB, incluidos los espacios libres eléctricos, la forma de la placa y los orificios de montaje. Estos parámetros determinarán el soporte mecánico y la colocación de componentes.

Disipación de calor

El espacio libre de la capa interna también puede influir en el rendimiento térmico de la PCB. Un espacio suficiente entre las características de cobre permite una disipación eficiente del calor, evitando la acumulación de calor y posibles daños a los componentes o los circuitos circundantes.

Flexibilidad de diseño

Al mantener una distancia adecuada entre las capas internas, los diseñadores de PCB tienen más flexibilidad para enrutar pistas y colocar componentes en la placa. Un espacio suficiente proporciona espacio para modificaciones de diseño, actualizaciones de componentes y futuras expansiones, lo que mejora la flexibilidad general del diseño de PCB.

Reglas de diseño de espacio libre en PCB

Estándares de fuga y espacio libre para PCB

Si no está interesado en conocer la importancia de la fuga y el despeje a través de su experiencia personal, existen algunos estándares que nos ayudarán. Las normas IEC 60601 e IPC 2221 son particularmente útiles para determinar el espaciado apropiado entre conductores en función de diferentes niveles y situaciones de voltaje. Estas normas proporcionan pautas específicas para garantizar la seguridad y confiabilidad de los diseños electrónicos.

Varios documentos cubren los estándares de fuga y separación de PCB, siendo el principal el IPC-2221. Esta norma proporciona pautas generales para diversas reglas de diseño, incluido el espacio requerido para circuitos de alto voltaje. Los límites de espaciado se determinan en función de factores como el tipo de voltaje (CC o CA), las capas dentro de la PCB, si las capas externas están recubiertas o no y los materiales utilizados para el sustrato. Además de IPC-2221, puede encontrar información adicional en estos estándares:

• IPC-9592: este estándar es más específico que IPC-2221 porque define los requisitos de espaciado de los dispositivos de conversión de energía que funcionan a más de 100 voltios.

• UL-61010-1: Estas normas especifican los requisitos de seguridad en el diseño de equipos de laboratorio y pruebas eléctricas, así como otros equipos industriales.

• UL-60950-1: este estándar es para aplicaciones de alto y bajo voltaje en una amplia gama de equipos.

Bajo voltaje versus alto voltaje

El diseño de circuitos de alto voltaje/alta corriente y circuitos de alta velocidad requiere el cumplimiento de los requisitos de seguridad y garantizar la integridad de la señal. Dos aspectos de diseño importantes que son cruciales en ambas áreas son el espacio libre de trazas de PCB y los valores de espacio libre de almohadillas. Estas opciones de diseño desempeñan un papel vital para lograr un equilibrio entre seguridad, supresión de ruido y facilidad de fabricación. Al considerar e implementar cuidadosamente valores de separación adecuados, los diseñadores pueden garantizar el funcionamiento confiable y eficiente de sus circuitos mientras mantienen los estándares de seguridad necesarios y minimizan la interferencia de la señal.

Bajo voltaje (<15 V)

Según los estándares de voltaje y espaciado IPC 2221, las reglas mínimas de espacio libre para PCB (en realidad, el espacio libre entre dos conductores cualesquiera) es de 0.1 mm para dispositivos de uso general o 4 mils. Para dispositivos de conversión de energía, esta traza y separación mínima de PCB es de 0.13 mm o 5.1 mils. Estas placas difícilmente podrían considerarse de “alto voltaje” y la separación entre conductores en estas placas comienza a bordear el régimen HDI.

Con estos voltajes, es posible que esté trabajando con señales digitales, señales analógicas de baja frecuencia o simplemente CC a corriente moderada. Con señales digitales, la regla típica es simplemente seguir la regla "3W", donde el espacio entre pistas es el triple del ancho de la pista. Para una microcinta de impedancia controlada típica de 50 ohmios, el ancho de la traza será de ~20 mils, por lo que el espaciado de trazas de PCB recomendado es de 60 mils. Aún cumple con los requisitos de IPC 2221 con estos seguimientos y su enfoque principal debe ser el enrutamiento eficiente y DFM. Incluso en el régimen HDI, donde es posible que necesite enrutar entre pads de paso fino en un BGA, no tendrá que preocuparse por estos requisitos de voltaje ya que generalmente trabaja a 3.3 V o ~1 V.

Alto voltaje (>15 V)

En voltajes de CC altos, la principal preocupación al elegir un valor de separación de trazas de PCB es evitar ESD y el crecimiento dendrítico entre los conductores expuestos. Con un alto voltaje de CA o con un regulador de conmutación que genera alta corriente, ahora debe preocuparse por la diafonía, así como por las ESD y el crecimiento dendrítico. Las pautas de supresión de diafonía aún sobreespecifican el espacio de voltaje requerido entre conductores hasta llegar a voltajes muy altos.

Para ver cómo podría necesitar encontrar un equilibrio entre IPC 2221 y la supresión de diafonía, considere la siguiente situación hipotética. Suponga que tiene una microcinta de impedancia controlada (20 mil de ancho) cerca de una línea de CA de alto voltaje, o cerca de trazas que entran o salen de un regulador de CC de alta corriente. Si sigue la regla de los “3W”, el espacio entre las microcintas paralelas y la línea de alto voltaje cercana debe ser de 1.5 mm o ~60 mils. Esto es más que suficiente para cumplir con IPC 2221 hasta que el nivel de alto voltaje alcance 180 V para dispositivos de conversión de energía o 340 V para otros productos de alto voltaje.

En alto voltaje, la preocupación no es tanto la velocidad del borde digital sino la frecuencia de una línea de CA de alto voltaje. Cualquier señal oscilante puede inducir una señal de diafonía en una traza cercana si las trazas están muy juntas; Este es un problema de ruido conocido con los reguladores de CC de alto voltaje y sus líneas de señal descendentes. Con una corriente de salida alta, dicha diafonía puede inducir una conmutación no deseada en componentes digitales de alta velocidad. Es mejor optar por un mayor espacio entre una línea de CA de alto voltaje y líneas digitales o de CC cercanas.

En resumen, la separación de la capa interna de PCB es vital para mantener el aislamiento eléctrico, la integridad de la señal, la seguridad del voltaje, la capacidad de fabricación, la disipación de calor y la flexibilidad del diseño. Al considerar estos factores y cumplir con las pautas de autorización adecuadas, los diseñadores de PCB pueden crear placas de circuito confiables y de alto rendimiento adecuadas para una amplia gama de aplicaciones.