Guía de diseño de placas de circuito impreso

Las placas de circuito impreso, también conocidas como PCB, forman el núcleo de todos los dispositivos electrónicos actuales. Estos pequeños componentes verdes son esenciales tanto para los electrodomésticos cotidianos como para las máquinas industriales. El diseño y la distribución de las PCB son un componente importante de la función de cualquier producto: esto es lo que determina el éxito o el fracaso de un equipo. Con la constante evolución de la tecnología, estos diseños han seguido avanzando. Hoy en día, la complejidad y las expectativas de estos diseños han alcanzado nuevos niveles, gracias a la innovación de los ingenieros eléctricos.

Los recientes avances en los sistemas y la tecnología de diseño de PCB han tenido efectos profundos en toda la industria. Como resultado,Reglas de diseño de PCBy los procesos de producción han evolucionado para lograr nuevos diseños y capacidades. Hoy en día, las pistas más pequeñas y las placas multicapa son algo común en las PCB producidas en masa; diseños así habrían sido impensables hace años. El software de diseño de PCB también ha contribuido a este progreso. Estos programas proporcionan herramientas con las que los ingenieros electrónicos pueden diseñar mejores PCB desde cero.

Incluso con estas capacidades mejoradas, los diseños de placas PCB son difíciles de realizar. Incluso el ingeniero electrónico más experimentado puede tener dificultades para crear un circuito en una PCB o para diseñar una placa PCB de acuerdo con las mejores prácticas de la industria. Aún más difícil es crear una placa de calidad que satisfaga las necesidades de los clientes. Con los diseños de los clientes, equilibrar la funcionalidad de la PCB con las mejores prácticas de diseño es un proceso complejo. Por eso hemos descrito el proceso de diseño de PCBs, incluyendo algunas reglas esenciales de diseño de PCB.

Determinación de la necesidad

El primero de los pasos principales en el diseño de PCB es una necesidad. Para la mayoría de los ingenieros electrónicos, estos requisitos están dictados por el cliente, quien enumerará todas las exigencias que la PCB debe cumplir. El ingeniero electrónico debe entonces convertir las necesidades indicadas por el cliente en forma electrónica. En esencia, esto significa traducirlas a un lenguaje de lógica electrónica, que es lo que el ingeniero utilizará al diseñar la PCB.

Las necesidades del proyecto determinan varios aspectos del diseño de la PCB. Esto incluye todo, desde lamaterialeshasta la apariencia final de la propia PCB. La aplicación de la PCB, como médica o automotriz, a menudo determinará los materiales de la PCB. Por ejemplo, muchas PCBs médicas para implantes electrónicos están hechas con bases flexibles. Esto les permite encajar en espacios pequeños y, al mismo tiempo, soportar un entorno orgánico interno. La apariencia final de la PCB está determinada principalmente por sus circuitos y funcionalidad; por ejemplo, muchas PCBs más complejas se fabrican con múltiples capas.

El ingeniero electrónico determinará y enumerará estas necesidades, y luego utilizará esta lista de requisitos para diseñar el esquema inicial de la PCB, así como la lista de materiales (BOM).

Esquemas

El diseño esquemático es esencialmente el plano que utilizan los fabricantes y otros ingenieros durante los procesos de desarrollo y producción. El esquema determina la función de la PCB, las características del diseño y la colocación de los componentes. El hardware de la PCB también se detalla en este esquema. Este equipo incluye el material de la PCB, los componentes involucrados en el diseño y cualquier otro material que el fabricante necesite durante el proceso de producción.

Toda esta información se incluye en el esquema durante la etapa inicial de diseño. Después de terminar el primer esquema, el diseñador realiza un análisis preliminar, comprobando posibles problemas y corrigiéndolos según sea necesario. Luego, el esquema se carga en una herramienta especial para su uso en el software de diseño de PCB, que puede ejecutar simulaciones para garantizar la funcionalidad. Estas simulaciones permiten a los ingenieros detectar cualquier error de diseño que puedan haber pasado por alto durante la revisión inicial del esquema. Después de eso, el diseño electrónico del circuito puede convertirse en una “netlist”, que enumera información sobre la interconectividad de los componentes.

Al considerar el diseño de su esquema, los ingenieros electrónicos deben tener en cuenta desde el principio algunos conceptos básicos cruciales del diseño de placas de circuito. Algunas de estas consideraciones que deben implementarse durante la etapa de desarrollo del esquema incluyen las siguientes:

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• •Selección del tamaño de panel de PCB adecuadoSeleccionar el tamaño de la placa más compatible con el equipo que se va a utilizar es una práctica recomendada básica, aunque a menudo olvidada. De este modo, no se desperdicia espacio adicional, las pistas se mantienen a una longitud mínima y los costos generales de material se mantienen relativamente bajos. Sin embargo, es importante asegurarse de que las especificaciones de diseño estén optimizadas para la producción en masa. Reducir demasiado el tamaño en el diseño de una placa puede no ser viable para configuraciones de producción en masa que generen suficiente variación entre piezas como para afectar a los diseños más pequeños.
• •Selecciona la cuadrícula correctaEl espaciado de la cuadrícula siempre se establece y aplica para adaptarse a la mayoría de los componentes. Mantenerse fiel a esta cuadrícula es una de las cosas más beneficiosas que un ingeniero puede hacer para evitar problemas de espaciado, por lo que seleccionar la mejor para el trabajo es crucial. Si algunas piezas no funcionan tan bien con la cuadrícula, el diseñador debería intentar encontrar alternativas o, mejor aún, utilizar productos de diseño propio.
• •Implementar DRC tanto como sea posibleMuchas empresas de ensamblaje de PCB cometen el error de ejecutar el software de verificación de reglas de diseño (DRC) solo al final del proceso de diseño. Esto permite que pequeños errores y decisiones de diseño cuestionables se acumulen, lo que da como resultado más trabajo de corrección al final del proceso de diseño. En su lugar, los diseñadores deberían comprobar su trabajo con un DRC tan a menudo como sea viable. Esto les permite abordar los problemas identificados por el DRC lo más rápido posible y minimiza la cantidad de cambios drásticos al final del proceso de diseño. Esto termina ahorrando tiempo y agilizando el proceso de edición, de modo que no esté tan cargado hacia el final.

Lista de materiales

Mientras se genera el esquema, el ingeniero electrónico también elabora una detallada Lista de Materiales, o BOM. Esta es la lista de componentes utilizados en el esquema de la placa PCB. Una vez que tanto la BOM como el esquema están completados, el ingeniero electrónico entrega ambos a un ingeniero de diseño de PCB y a un ingeniero de componentes. Estos ingenieros revisan los detalles y obtienen los componentes necesarios para el proyecto. En concreto, el ingeniero de componentes es responsable de elegir componentes que se ajusten al esquema en términos de tensión y corriente máximas de funcionamiento. También es responsable de seleccionar equipos que se mantengan dentro de parámetros razonables de costo y tamaño.

Los cinco aspectos más importantes que deben cumplir los componentes de la lista de materiales (BOM) incluyen los siguientes:

• •Cantidad: El número de componentes comprados debe cumplir, como mínimo, con el número de componentes enumerados en la lista de materiales (BOM).
• •Designadores de referenciaCada componente debe identificarse según su lugar dentro del circuito en la PCB.
• •ValorCada componente debe estar dentro de un rango específico de valores, incluidos ohmios, faradios, etc. El costo es un factor si es una preocupación para el cliente.
• •Huella: Se debe indicar la ubicación de cada componente.
• •Número de pieza del fabricante: Registre el número de pieza en caso de mal funcionamiento, tanto para beneficio de los ensambladores como para referencia del fabricante.

Además de estas pautas básicas de la lista de materiales (BOM), es una buena idea tener en cuenta algunas consideraciones al formular tanto la BOM como el esquema en general. Estas incluyen los siguientes consejos de diseño de PCB:

• •Integrar componentesElegir componentes es una de las tareas más importantes como diseñador. Para ayudar en el proceso, tienes la opción de seleccionar componentes discretos con valores de componente altos o bajos y efectos similares. Al integrar estos componentes y producir una pequeña categoría de valores estándar, puedes simplificar eficazmente la lista de materiales y reducir el costo del producto.


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• •Aplicar un condensador de desacoploNunca intentes optimizar tu diseño eliminando las líneas de desacoplo de alimentación. Muchos diseñadores evitan estos condensadores en un intento equivocado de reducir costos. Los condensadores son baratos y muy duraderos, lo que añade longevidad a tu diseño. Los condensadores también ayudarán a mantener el orden de tu placa de circuito mientras mantienen los costos bajos. Concéntrate en los consejos anteriores si te preocupa tu lista de materiales (BOM).

Colocación de componentes en PCB

Cada componente debe tener su lugar designado en el diseño de una placa de circuito. Elegir la ubicación correcta es la parte complicada. Determinar el mejor lugar para un elemento depende de numerosos factores y consideraciones para el diseñador, incluyendo la gestión térmica, las consideraciones de ruido eléctrico y la función general de la PCB. Sin embargo, en la mayoría de los casos, los diseñadores colocan los componentes en el siguiente orden:

• • Conectores
• • Circuitos de potencia
• • Circuitos sensibles y de precisión
• • Componentes críticos del circuito
• • Todos los demás elementos

Algunas consideraciones de diseño adicionales que se deben tener en cuenta durante esta etapa del ciclo de diseño incluyen las siguientes:

• •Identificar y dividir los componentes preocupantes y los puntos de prueba requeridosSi hay algún componente preocupante en la PCB, colócalo cerca de los puntos de prueba necesarios para una detección de fallos más oportuna.
• •Aplicar serigrafía de forma flexibleLa serigrafía puede marcar una amplia gama de información para que la utilicen los fabricantes de PCB, ingenieros, ensambladores y probadores durante varias partes delProceso de ensamblaje de PCB. En la serigrafía, es una buena idea marcar las funcionalidades, las marcas de prueba y las direcciones de colocación de componentes y conexiones. Intenta aplicar serigrafías tanto en la parte superior como en la inferior de la placa de circuito impreso para evitar trabajo duplicado y, al mismo tiempo, aclarar las indicaciones para los ensambladores manuales, simplificando el proceso de producción.

Después de colocar estos componentes individuales en el diseño del circuito impreso, es mejor realizar otra ronda de pruebas para verificar el funcionamiento adecuado de la placa. Esto ayudará a identificar cualquier elección de diseño problemática y a detectar posibles ajustes necesarios.

Enrutamiento

Una vez que los componentes se colocan en la PCB, el siguiente paso en los conceptos básicos del diseño de PCB es conectarlos todos. Cada elemento de la placa está conectado mediante pistas, que se materializan a través de un ruteo adecuado. Sin embargo, el ruteo requiere un proceso de diseño propio, debido a las muchas consideraciones que los diseñadores deben tener en cuenta. Estos factores incluyen los niveles de potencia, la sensibilidad al ruido de señal, la generación de ruido de señal y la capacidad de ruteo.

Afortunadamente, la mayoría del software de diseño de PCB enruta las pistas utilizando la lista de redes desarrollada a partir del esquema. El programa hace esto usando el número de capas disponibles para la conexión y calculando las mejores rutas para aprovechar el espacio. El programa también modifica el diseño según sea necesario. Esto puede requerir mucha potencia de cálculo, especialmente para modelos más grandes. El resultado es un proceso de enrutamiento más largo: el programa puede tardar aún más cuando los componentes se colocan en una disposición particularmente densa.

Si bien la mayoría del software de PCB enruta las pistas de acuerdo con la lista de redes de un esquema, este software no es universal. No todos los diseñadores de PCB utilizan software de enrutamiento automático, y aun aquellos que lo hacen tienden a revisar las pistas en busca de problemas. De todos modos, esto siempre es una buena práctica, ya que incluso las computadoras pueden producir resultados que no le gusten al diseñador.

La regla general para las pistas es que aquellas con un ancho de 10 a 20 mils son capaces de conducir de 10 a 20 mA de corriente. Las pistas con anchos de 5 a 8 mils, por otro lado, pueden conducir corrientes inferiores a diez mA. Esta es una consideración especialmente importante para diseños de PCB de alta corriente o diseños de PCBs con señales que cambian rápidamente, ya que su enrutamiento hacia nodos de alta frecuencia requerirá un ancho de pista específico.

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• •Distribuya adecuadamente las líneas de alimentación y tierraLa mayoría de los diseñadores de PCB dedicarán una capa de circuito para usarla como plano de tierra. Otra suele dedicarse como plano de alimentación. Esto ayuda a reducir el nivel de ruido en la PCB y permite al diseñador crear conexiones de baja resistencia de fuente. Una buena práctica de diseño de PCB es distribuir las líneas de acuerdo con el plano de alimentación tanto como sea posible. Esto ayuda a mejorar la eficiencia y reducir la impedancia, al tiempo que proporciona trayectorias de bucle de tierra suficientes.
• •Mantener trazas cortasAsegúrate de que las pistas sean lo más cortas posible en cada etapa del diseño. Aunque la mayoría de los procesos de ensamblaje de PCB incluyen un paso para optimizar la longitud de las pistas, esto debe aplicarse en todas las fases del diseño. Esta regla debe observarse aún más estrictamente cuando el diseñador trabaja con un circuito analógico o digital de alta velocidad. Estos tipos de circuitos impresos, que se encuentran comúnmente en automóviles y dispositivos de telecomunicaciones, se ven más afectados por la impedancia y los efectos parasitarios.

Comprobaciones

Comprobar el diseño es posiblemente el paso más importante del proceso de diseño. Este segmento del proceso considera todo lo relacionado con el diseño, buscando posibles problemas que afectan a los diseños de PCB.

Por ejemplo, un problema común en los diseños de PCB es el calor. Una PCB con un diseño térmico perfecto puede mantener toda la placa a una temperatura constante y uniforme, evitando puntos calientes. Sin embargo, dichos puntos calientes y las inconsistencias de temperatura pueden ser causados por una serie de características de diseño, como variaciones en el grosor del cobre, el número de capas en la PCB, tamaños de placa más grandes y la presencia o ausencia de rutas térmicas.

Una sencilla verificación de diseño puede detectar posibles problemas en la gestión térmica de la PCB; la mayoría del software de DRC para PCB también puede identificarlos. Existen varios métodos para reducir las temperaturas de funcionamiento de la PCB, muchos de los cuales se abordan con los conceptos básicos del diseño de PCB. Algunos de estos consejos para gestionar el calor incluyen:

• • Conecte planos de tierra sólidos o planos de alimentación con más capas directamente a la fuente de calor de la PCB. Estos planos suelen ser más capaces de disipar el calor, ya que tienden a contener más cobre.
• • Establecer rutas efectivas de calor y alta corriente para ayudar a dirigir y disipar el calor. Esto puede ayudar a optimizar la transferencia de calor.
• • Maximizar el área utilizada para la transferencia de calor. Esto puede ayudar a mantener una temperatura más baja en toda la placa. Sin embargo, esto es algo que debe considerarse desde las primeras etapas del proceso de diseño, ya que puede afectar el tamaño de la placa.

La mayoría del software de DRC puede detectar los problemas mencionados anteriormente. El software de DRC toma todos los detalles sobre el diseño de una PCB y determina si el trazado cumple una lista de parámetros predeterminados. Estos se llaman reglas de diseño de PCB. Idealmente, como se mencionó anteriormente, el DRC debería utilizarse a lo largo de todo el proceso de diseño para identificar las áreas problemáticas desde el principio. Sin embargo, si todo lo demás falla, usar el DRC después de que todo lo demás esté completo puede ahorrar mucho tiempo de diseño y evitar confusiones entre el diseñador y la empresa de ensamblaje.

La etapa de verificación del proceso de diseño no solo incluye la comprobación DRC, sino que también abarca varios otros procesos de verificación física, entre ellos una comprobación de diseño contra esquema (LVS), una comprobación XOR, una comprobación de reglas eléctricas (ERC) y una comprobación de antena. Los fabricantes de PCB más avanzados pueden utilizar comprobaciones y reglas adicionales para mejorar el rendimiento, pero estas son las verificaciones básicas que los diseñadores y fabricantes suelen utilizar.

Además, es una buena práctica verificar los parámetros de fabricación antes de la entrega. Antes de enviar el diseño final a producción, el diseñador debe generar y verificar personalmente los parámetros de fabricación de la PCB. Aunque la mayoría de los fabricantes están dispuestos a descargar y verificar los archivos de diseño para su cliente, es mejor revisar el diseño dos veces antes de enviarlo. Esto puede ayudar a evitar cualquier confusión o malentendido y puede evitar pérdidas debidas a la fabricación con parámetros incorrectos. Este paso de verificación también puede agilizar el proceso al reducir la cantidad de tiempo necesario para corregir y volver a verificar el diseño antes de que comience la fabricación.

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