PCB de una sola cara vs. PCB de doble cara vs. PCB multicapa: Elegir el diseño correcto para su proyecto

Las placas de circuito impreso (PCB) son la columna vertebral de la electrónica moderna, pero no todas las PCB son iguales. La elección entre PCB de una cara, de doble cara y multicapa depende de factores como la complejidad, las limitaciones de espacio, las necesidades de rendimiento y el presupuesto. Cada tipo tiene ventajas y limitaciones únicas, lo que los hace adecuados para distintas aplicaciones, desde simples linternas LED hasta enrutadores 5G avanzados.

Esta guía desglosa las diferencias clave entre estos tres tipos de PCB, comparando su construcción, rendimiento, costos y casos de uso ideales. Al comprender sus fortalezas y debilidades, los ingenieros, diseñadores y fabricantes pueden tomar decisiones informadas que equilibren la funcionalidad y la asequibilidad.

Puntos clave
  1. Las PCB de una cara son las más simples y económicas, con componentes en un lado, ideales para dispositivos de baja complejidad (por ejemplo, calculadoras), pero limitadas por la baja densidad y el enrutamiento de señales.
  2. Las PCB de doble cara ofrecen más flexibilidad con componentes en ambos lados y vías pasantes, lo que admite una complejidad moderada (por ejemplo, placas Arduino) a un costo medio.
  3. Las PCB multicapa (4+ capas) proporcionan alta densidad, integridad de señal superior y gestión de energía, lo que las hace esenciales para la electrónica compleja (por ejemplo, teléfonos inteligentes, estaciones base 5G), pero a un costo mayor.
  4. Elegir el tipo correcto reduce los costos de producción en un 20–50%: la sobreingeniería con una PCB multicapa para un dispositivo simple desperdicia dinero, mientras que la subingeniería con una placa de una cara para un diseño complejo causa fallas de rendimiento.

¿Qué define las PCB de una cara, de doble cara y multicapa?
La diferencia fundamental entre estos tipos de PCB radica en su recuento de capas y cómo se organizan los componentes y las trazas.

PCB de una cara
  a. Construcción: Una sola capa de lámina de cobre conductora adherida a un lado de un sustrato aislante (típicamente FR4). Los componentes se montan en el lado de cobre, con todas las trazas enrutadas en esa única capa.
  b. Característica clave: No se necesitan vías (orificios que conectan capas), ya que solo hay una capa conductora.
  c. Grosor: Típicamente 0,8–1,6 mm, con cobre de 1 oz (35 μm de grosor) para las trazas.

PCB de doble cara
  a. Construcción: Capas de cobre en ambos lados del sustrato, con vías pasantes (orificios plateados) que conectan las trazas superior e inferior. Los componentes se pueden montar en cualquier lado.
  b. Característica clave: Las vías permiten que las señales "salten" entre capas, lo que permite un enrutamiento más complejo que las PCB de una cara.
  c. Grosor: 0,8–2,4 mm, con cobre de 1–2 oz para las trazas (35–70 μm).

PCB multicapa
  a. Construcción: 4 o más capas de cobre (los números pares son estándar) separadas por capas de sustrato aislante (prepreg y núcleo). Las capas internas a menudo actúan como planos de tierra o redes de distribución de energía, mientras que las capas externas contienen componentes.
  b. Características clave: Las vías ciegas (conectan las capas externas con las internas) y las vías enterradas (conectan solo las capas internas) permiten un enrutamiento denso sin sacrificar espacio. Las trazas de impedancia controlada admiten señales de alta velocidad.
  c. Grosor: 1,2–3,2 mm para 4–16 capas, con cobre de 1–3 oz (35–105 μm) según los requisitos de energía.

Comparación lado a lado: Características clave

Ventajas y limitaciones por tipo
PCB de una cara
Ventajas:
  a. Bajo costo: El proceso de fabricación más simple (sin perforación ni revestimiento de vías) reduce los costos de materiales y mano de obra en un 30–50% en comparación con las PCB de doble cara.
  b. Producción rápida: No se necesita alineación de capas ni procesamiento de vías, lo que permite plazos de entrega de 2 a 5 días para los prototipos.
  c. Inspección fácil: Todas las trazas y componentes son visibles en un lado, lo que simplifica las pruebas y la solución de problemas manuales.

Limitaciones:
  a. Baja densidad: Las trazas no pueden cruzarse sin cortocircuitarse, lo que limita el recuento de componentes y la complejidad del diseño.
  b. Pobre integridad de la señal: Las trazas largas y sinuosas (necesarias para evitar cruces) causan retardo de la señal y ruido en los diseños de alta velocidad.
  c. Manejo de energía limitado: La capa de cobre única restringe el flujo de corriente, lo que los hace inadecuados para dispositivos de alta potencia.

PCB de doble cara
Ventajas:
  a. Mayor densidad: Las vías permiten que las trazas se crucen enrutando en la capa opuesta, lo que admite de 2 a 3 veces más componentes que las PCB de una cara.
  b. Mejor enrutamiento de señales: Trazas más cortas (gracias a las vías) reducen la pérdida de señal, lo que las hace adecuadas para diseños digitales de baja velocidad (≤100 MHz).
  c. Equilibrio rentable: Más asequible que las PCB multicapa, al tiempo que ofrece mayor flexibilidad que las placas de una cara.

Limitaciones:
  a. Todavía limitado por el recuento de capas: Los diseños complejos (por ejemplo, con más de 100 componentes o señales de alta velocidad) pueden requerir más capas para evitar la diafonía.
  b. Fiabilidad de las vías: Las vías pasantes son propensas a agrietarse bajo tensión térmica, un riesgo en entornos de alta temperatura (por ejemplo, motores automotrices).

PCB multicapa
Ventajas:
  a. Alta densidad: Las capas internas y las vías avanzadas (ciegas/enterradas) permiten de 5 a 10 veces más componentes que las PCB de doble cara, lo cual es fundamental para dispositivos compactos como los teléfonos inteligentes.
  b. Integridad de señal superior: Las trazas de impedancia controlada (50 Ω/100 Ω) y los planos de tierra dedicados minimizan la diafonía y la EMI, lo que admite señales de alta velocidad (1 Gbps+).
  c. Distribución eficiente de energía: Las capas de energía separadas reducen la caída de voltaje, manejando altas corrientes (10A+) para dispositivos que consumen mucha energía, como los transceptores 5G.
  d. Resistencia mecánica: Múltiples capas de sustrato las hacen más rígidas y resistentes a la deformación que las PCB de una o doble cara.

Limitaciones:
   a. Mayor costo: La fabricación compleja (alineación de capas, perforación de vías, laminación) aumenta los costos de 2 a 5 veces en comparación con las PCB de doble cara.
   b. Plazos de entrega más largos: La ingeniería y las pruebas de precisión extienden los tiempos de producción a 7–14 días para los prototipos, y más para las placas con un alto recuento de capas.
   c. Desafíos de reelaboración: Los defectos de la capa interna son difíciles de reparar, lo que aumenta las tasas de rechazo y los costos de reelaboración.

Aplicaciones ideales para cada tipo de PCB
La adaptación del tipo de PCB a la aplicación garantiza un rendimiento y una rentabilidad óptimos.

PCB de una cara
Lo mejor para dispositivos de baja complejidad y bajo costo donde el espacio y el rendimiento no son críticos:
  a. Electrónica de consumo: Controles remotos, calculadoras, linternas LED y juguetes.
  b. Sensores industriales: Sensores simples de temperatura o humedad con componentes mínimos.
  c. Fuentes de alimentación: Fuentes de alimentación lineales básicas con pocos componentes activos.
Ejemplo: La PCB de un juguete para niños utiliza un diseño de una cara para mantener los costos por debajo de $1 por unidad, con 10–15 componentes (LED, resistencias, un IC simple).

PCB de doble cara
Adecuado para dispositivos de complejidad moderada que requieren más componentes y un mejor enrutamiento que las PCB de una cara:
  a. Sistemas integrados: Placas Arduino, Raspberry Pi Pico y dispositivos básicos basados en microcontroladores.
  b. Accesorios automotrices: Cargadores de coche, cámaras de salpicadero y receptores Bluetooth.
  c. Equipos de audio: Amplificadores de auriculares, altavoces básicos y radios FM.
Ejemplo: Un Arduino Uno utiliza una PCB de doble cara para colocar más de 50 componentes (puerto USB, regulador de voltaje, pines GPIO) con trazas enrutadas en ambos lados a través de vías pasantes.

PCB multicapa
Indispensable para la electrónica compleja de alto rendimiento donde la densidad, la velocidad y la fiabilidad son fundamentales:
  a. Teléfonos inteligentes y dispositivos portátiles: Las PCB de 6–12 capas empaquetan procesadores, módems 5G y baterías en diseños delgados.
  b. Infraestructura de telecomunicaciones: Las estaciones base 5G y los conmutadores de centros de datos utilizan PCB de 12–16 capas para transceptores mmWave de 28 GHz y señales de 100 Gbps+.
  c. Dispositivos médicos: Los equipos de resonancia magnética y los marcapasos se basan en PCB de 4–8 capas para un enrutamiento preciso de la señal y resistencia a EMI.
  d. Aeroespacial: Las cargas útiles de satélites utilizan PCB de 8–12 capas con sustratos de alta Tg para soportar temperaturas y radiación extremas.
Ejemplo: La PCB principal de un teléfono inteligente 5G es un diseño de 8 capas: 2 capas externas para componentes, 2 capas internas para la distribución de energía y 4 capas para el enrutamiento de señales de alta velocidad (5G, Wi-Fi 6E).

Desglose de costos: Por qué las PCB multicapa cuestan más
La diferencia de costo entre los tipos de PCB se deriva de la complejidad de la fabricación:

Cómo elegir el tipo de PCB correcto
Siga este marco de decisión para seleccionar el tipo de PCB óptimo:
1. Evaluar el recuento de componentes:
   <50 components: Single-sided.
    50–200 componentes: Doble cara.
    200 componentes: Multicapa.

2. Evaluar la velocidad de la señal:
    ≤100MHz: Una o doble cara.
    100MHz–1Gbps: Doble cara o 4 capas.
    1Gbps: 4+ capas con impedancia controlada.

3. Considerar los requisitos de energía:
   <1A: Single-sided.
    1–10A: Doble cara con cobre grueso.
    10A: Multicapa con capas de energía dedicadas.

4. Comprobar las limitaciones de espacio:
    Carcasas grandes (por ejemplo, cajas industriales): Una/doble cara.
    Dispositivos compactos (por ejemplo, dispositivos portátiles): Multicapa.

5. Equilibrar el costo y el rendimiento:
    Priorizar el costo: Utilizar el tipo más simple que cumpla con los requisitos.
    Priorizar el rendimiento: Actualizar a un mayor recuento de capas para la fiabilidad.

Preguntas frecuentes
P: ¿Puede un diseño comenzar con una PCB de una cara y escalar a multicapa?
R: Sí, muchos productos evolucionan de una cara a doble cara y a multicapa a medida que se agregan funciones. Por ejemplo, los primeros relojes inteligentes utilizaban PCB de doble cara, mientras que los modelos modernos utilizan diseños de 6–8 capas.

P: ¿Las PCB multicapa son siempre mejores para señales de alta velocidad?
R: Generalmente, sí. Sus planos de tierra dedicados y trazas de impedancia controlada minimizan la pérdida de señal. Sin embargo, las PCB de doble cara bien diseñadas pueden manejar hasta 1 Gbps en trazas cortas (≤5 cm).

P: ¿Cómo puedo reducir los costos al utilizar una PCB multicapa?
R: Optimizar el recuento de capas (por ejemplo, utilizar 4 capas en lugar de 6 si es posible), limitar las vías ciegas/enterradas a áreas críticas y utilizar FR4 estándar en lugar de materiales de alto costo (a menos que se requiera para alta frecuencia).

P: ¿Pueden las PCB de una cara cumplir con RoHS?
R: Sí, el cumplimiento de RoHS depende de los materiales (soldadura sin plomo, sustratos sin halógenos), no del recuento de capas. La mayoría de las PCB de una cara utilizan materiales que cumplen con RoHS en la actualidad.

P: ¿Cuál es el recuento máximo de capas para una PCB?
R: Las PCB comerciales suelen tener un máximo de 40 capas (por ejemplo, para superordenadores), pero la mayoría de las aplicaciones utilizan 4–16 capas.

Conclusión
La elección entre PCB de una cara, de doble cara y multicapa depende de equilibrar la complejidad, el rendimiento y el costo. Las PCB de una cara sobresalen en dispositivos simples y de bajo costo, mientras que las placas de doble cara ofrecen un punto intermedio para diseños moderados. Las PCB multicapa son la opción ideal para la electrónica densa de alto rendimiento, a pesar de su mayor costo.

Al alinear el tipo de PCB con el recuento de componentes, la velocidad de la señal, las necesidades de energía y las limitaciones de espacio de su proyecto, puede evitar la sobreingeniería (y el gasto excesivo) o la subingeniería (y arriesgarse a fallar). A medida que la electrónica continúa reduciéndose y acelerándose, las PCB multicapa crecerán en importancia, pero las placas de una y doble cara seguirán siendo vitales para aplicaciones de baja complejidad y sensibles a los costos.

En última instancia, el tipo de PCB "correcto" es el que cumple con los requisitos de su diseño sin gastos innecesarios, lo que garantiza que su producto sea funcional y competitivo en el mercado.