13 reglas básicas para el diseño de placas de circuito impreso (y los fallos que evitan)

Un esquema demuestra que una idea puede funcionar; Diseño de PCB Determina si realmente funciona una vez construido. La misma lista de conexiones puede producir una placa silenciosa y fabricable o una que irradia, falla rápidamente, se calienta y acumula defectos de ensamblaje; la diferencia radica completamente en la ubicación y el enrutamiento. Las trece reglas que se presentan a continuación son las que nuestros ingenieros ven que se ignoran con mayor frecuencia en los diseños entrantes, organizadas en el orden en que se diseñaría una placa y expresadas con cifras concretas que las hacen útiles. Ninguna es compleja; en conjunto, un buen diseño y disposición de PCB evita la gran mayoría de las correcciones innecesarias.

Lo que sigue refleja lo que nuestro equipo de DFM en Highleap Electronics busca al revisar un diseño antes de la fabricación.

1. Por qué el diseño de la placa de circuito impreso es más importante que el esquema

Cada red en una placa es una estructura física con resistencia, inductancia y capacitancia, y una corriente de retorno que debe llegar a su origen. Un esquema oculta todo eso; el diseño lo expone. El comportamiento electromagnético, la integridad de la señal de alta velocidad, el rendimiento térmico e incluso el rendimiento de fabricación dependen de dónde se ubican los componentes y cómo el cobre los conecta; por eso un ingeniero experimentado puede rescatar un diseño deficiente en el diseño y uno descuidado puede arruinar un buen esquema. Mejores prácticas de diseño de PCB Es el uso de reglas, más que de preferencias, lo que hace que un consejo de administración sea predecible en toda la producción.

2. Reglas de diseño de PCB 1–7: Plano de planta, conexión a tierra y alimentación

Las primeras decisiones, antes incluso de que se grabe un solo trazo, determinan el nivel máximo de calidad que puede alcanzar la placa.

Regla 1: Planifica tu plano antes de planificar la ruta.

Primero, coloque los conectores, los orificios de montaje y los bloques funcionales principales, agrupando las piezas por función para que las señales fluyan en una sola dirección a lo largo de la placa. Una distribución bien planificada acorta las redes críticas y evita el enredo de cables que obliga a hacer concesiones posteriormente.

Regla 2: Mantén pequeños los bucles de corriente.

Cada ruta de señal y alimentación forma un bucle con su retorno, y el área del bucle es lo que irradia y lo que capta ruido. Coloque los componentes y diseñe el enrutamiento de manera que cada bucle —especialmente las señales rápidas y los bucles calientes de los reguladores de conmutación— sea lo más pequeño posible; las emisiones radiadas aumentan con el área del bucle.

Regla 3: Proporciona al tablero un plano de tierra sólido.

Un plano de tierra continuo es la herramienta de diseño más eficaz. Proporciona un retorno de baja impedancia directamente debajo de cada señal, y no debe dividirse ni insertarse debajo de pistas de alta velocidad, ya que una señal que cruza un espacio pierde su ruta de retorno, su impedancia aumenta y se irradia.

Regla 4 — Desacoplar en el pasador

Coloque un condensador de desacoplamiento (generalmente de 0.1 µF, dimensionado según el dispositivo) justo en el pin de alimentación de cada circuito integrado, con una trayectoria corta y ancha hacia los planos de alimentación y tierra, y conéctelo a la placa mediante capacitancia de fondo. Un condensador colocado lejos o conectado a través de una pista larga y delgada añade inductancia y no puede suministrar la corriente transitoria rápida que requiere el chip.

Regla 5: Separe las señales analógicas, digitales y de alimentación.

Mantenga las secciones digitales y de alimentación conmutada ruidosas alejadas de las secciones analógicas y de RF sensibles, y dirija sus corrientes de retorno de manera que el ruido digital no fluya a través de la tierra analógica. Divida el circuito por función en el plano de distribución y conecte las tierras en un único punto específico donde las partes de señal mixta lo requieran.

Regla 6 — Planificar la red de distribución de energía

Proporcione a cada riel una ruta de baja impedancia: pistas anchas o planos dedicados, un acoplamiento preciso entre la alimentación y tierra para la capacitancia entre planos y suficiente cobre para que el riel no se hunda bajo cargas transitorias. Una red de distribución de energía deficiente se manifiesta como fallos que se confunden con errores lógicos.

Regla 7: Utiliza suficientes capas para cumplir las reglas 3 a 6.

Si no puede proporcionar a cada capa de señal un plano de referencia adyacente y mantener las líneas de transmisión limpias, añada un par de capas. Una placa de 4 capas con planos adecuados suele superar en rendimiento a una placa de 2 capas con poco espacio, y añadir cobre es más económico que el coste de fiabilidad que supone una configuración deficiente.

3. Reglas de diseño de PCB 8–13: Enrutamiento, impedancia y fabricación

Una vez definidos el plano de planta y los planos de construcción, el proceso de fresado convierte el plano en cobre sin deshacerlo.

Regla 8: Dimensionar las pistas para corriente y calor.

El ancho y el peso del cobre de una pista determinan cuánta corriente transporta para un aumento de temperatura dado, por CIP-2152 (y el modelo anterior IPC-2221). Dimensionar las pistas de alimentación y tierra de forma deliberada en lugar de usar el ancho de señal predeterminado, y ampliarlas donde la corriente sea alta.

Regla 9: Mantenga las redes de alta velocidad cortas, con referencias y emparejadas.

Enrutar señales rápidas de forma corta y directa, siempre sobre un plano de referencia continuo, y definir impedancia controlada para ellos en la configuración de apilamiento (generalmente 50 Ω de terminación simple, 90–100 Ω diferencial). Ajuste la longitud de los grupos críticos para la temporización y los pares diferenciales, y mantenga los relojes y las líneas de alta velocidad alejados de los bordes de la placa y las redes sensibles.

Regla 10: Controlar la diafonía y los bordes del plano.

Aplique la Regla de las 3W — espaciado de centro a centro de al menos tres anchos de pista — para limitar la diafonía entre pistas paralelas sensibles, y el Regla de las 20 horas de alejar los planos del borde de la placa para reducir la radiación en los bordes. Estas soluciones económicas evitan costosas sorpresas de compatibilidad electromagnética.

Regla 11: Ruta con geometría limpia

Utilice curvas de 45° en lugar de giros abruptos y evite los ángulos agudos, que pueden atrapar el agente de grabado durante la fabricación. Mantenga las vías fuera de las almohadillas a menos que estén rellenas y metalizadas, y minimice los cambios de capa en redes rápidas, ya que cada vía agrega un saliente y una discontinuidad. Vierta y suelde cobre con sensatez; consulte nuestras notas sobre Vertido de cobre y mediante costura Costura de recubrimiento de vías para blindaje y disipación térmica.

Regla 12: Gestionar la trayectoria del calor y diseñar para el ensamblaje.

Proporcione cobre a los componentes calientes para disipar el calor, vías térmicas debajo de las almohadillas de alimentación y conexiones de alivio térmico en los planos para que las almohadillas se suelden correctamente. Al mismo tiempo, respete los espacios y la separación entre componentes, oriente las piezas similares de forma consistente para agilizar la inspección y deje espacio para retrabajo alrededor de componentes y conectores de paso fino; la disposición influye tanto en la fiabilidad como en el rendimiento del ensamblaje.

Regla 13: Añadir acceso de prueba y diseño a la capacidad de fabricación.

Proporcione marcas de referencia para las máquinas de colocación, puntos de prueba para pruebas funcionales o en circuito, y zonas de exclusión mecánica para conectores y carcasas; luego, respete los límites mínimos de espacio/pista, anillo anular, tamaño de perforación y número de capas del fabricante. Una placa teóricamente ideal que exceda la capacidad de fabricación simplemente no se puede producir, y el acceso para pruebas añadido posteriormente suele obligar a rediseñarla.

4. Errores comunes en el diseño de placas de circuito impreso que se deben evitar

Las reglas anteriores se corresponden directamente con los fallos que observamos con mayor frecuencia, y resulta útil reconocer cada uno por su síntoma en lugar de solo por su causa.

• Un fallo en las emisiones radiadas durante la prueba EMC Por lo general, esto se debe a una conexión a tierra dividida o ranurada bajo señales rápidas, o a planos que no se han retirado del borde.
• Fallos aleatorios que desaparecen al sondear. Los problemas típicos son de integridad de la alimentación: un desacoplamiento demasiado alejado del chip o una línea que se hunde bajo carga transitoria.
• Sobrecalentamiento o caída de tensión en un riel Proviene de trazas de alimentación de ancho predeterminado que nunca se dimensionaron según su corriente.
• Un enlace de alta velocidad que no se bloqueará Esto suele significar que la impedancia se definió después del enrutamiento, o que el par diferencial nunca se ajustó en longitud.
• Una placa que no se puede probar ni colocar con precisión. significa que se omitieron puntos de referencia o puntos de prueba, lo cual se descubrió demasiado tarde para corregirlo sin un turno.
• Un tardío "no podemos construir esto" por parte de la fábrica Esto apunta a ángulos agudos, espaciamiento inferior al mínimo o una relación de aspecto de perforación imposible.

El patrón es el mismo en todos los casos: el coste de seguir la regla durante el diseño es mínimo, mientras que el coste de incumplirla es un nuevo giro, un fallo en el campo o un lote descartado. La disciplina se amortiza la primera vez que se evita un turno en el tablero.

5. Revisión del diseño de PCB y DFM en Highleap

Incluso un diseño cuidadosamente elaborado se beneficia de una segunda opinión de alguien que conozca los límites de la fábrica. Cuando envías un diseño a Highleap, nuestros ingenieros realizan una revisión exhaustiva. Revisión gratuita de DFM En contra de las reglas anteriores y de nuestra capacidad real —verificando el trazado y el espacio, el anillo anular, los tamaños de las perforaciones, la configuración de capas y la impedancia, el alivio térmico, el espaciado para el voltaje y el acceso para pruebas— antes de la fabricación. El objetivo no es rediseñar la placa, sino detectar los pocos problemas que, de otro modo, surgirían como un problema de re-inyección o de rendimiento.

Envíanos tus archivos Gerber u ODB++ y te daremos comentarios específicos y útiles. Luego, fabricaremos y ensamblaremos la pieza según el diseño que hayas previsto. Detectar un plano ranurado o un espacio imposible de construir en pantalla no tiene costo; encontrarlo después del primer montaje cuesta un turno.

Obtén una revisión DFM gratuita de tu diseño.

6. Preguntas frecuentes sobre el diseño de placas de circuito impreso

¿Cuál es la regla más importante del diseño de placas de circuito impreso (PCB)?

Proporcione a la placa un plano de tierra sólido y continuo, y evite que se interrumpa bajo señales de alta velocidad. Esto proporciona una ruta de retorno de baja impedancia directamente debajo de cada pista, lo que controla la impedancia y minimiza las interferencias electromagnéticas (EMI), el factor más importante en un diseño de circuitos impresos.

¿Dónde deben colocarse los condensadores de desacoplamiento?

Justo en el pin de alimentación de cada circuito integrado, con una conexión corta y ancha a los planos de alimentación y tierra, respaldada por la capacitancia de la placa. Un condensador colocado lejos o conectado a través de una pista larga y delgada añade inductancia y no puede suministrar la rápida corriente transitoria del chip.

¿Qué ancho debe tener una pista de PCB?

Lo suficientemente ancho como para soportar la corriente con un aumento de temperatura aceptable, según el peso del cobre, de acuerdo con las normas IPC-2152 o IPC-2221. Las pistas de señal pueden ser estrechas, pero las pistas de alimentación y tierra deben dimensionarse cuidadosamente y ensancharse donde la corriente sea alta.

¿Cuáles son las reglas de las 3W y las 20H?

La regla 3W separa las pistas paralelas sensibles al menos tres veces el ancho de una pista, de centro a centro, para limitar la diafonía. La regla 20H aleja los planos de alimentación y tierra del borde de la placa aproximadamente veinte veces el grosor del dieléctrico para reducir la radiación en los bordes.

¿Realmente suponen un problema las esquinas de trazado de 90 grados?

El efecto electromagnético de las esquinas de 90° es mínimo a la mayoría de las velocidades, pero deben evitarse los ángulos agudos, ya que pueden atrapar el agente de grabado durante la fabricación. El fresado con curvas de 45° es la práctica estándar y limpia.

¿Por qué necesito puntos de referencia y puntos de prueba?

Las marcas de referencia permiten a las máquinas de colocación ubicar la placa con precisión, y los puntos de prueba posibilitan las pruebas funcionales o en circuito. Ambos elementos se pueden añadir prácticamente sin coste durante el diseño, pero a menudo obligan a rehacer el trabajo si se omiten y se necesitan posteriormente.

¿Cuántas capas necesito para un buen diseño?

Suficiente para proporcionar a cada capa de señal un plano de referencia adyacente y para soportar las líneas de alimentación. Los diseños sencillos funcionan con 2 o 4 capas; los diseños densos o de alta velocidad necesitan 6 o más para que se cumplan las normas de conexión a tierra e impedancia.