Navegando por el diseño de PCB: mejores prácticas para ingenieros

El diseño de una PCB es más que solo su apariencia. Un diseño de PCB exitoso organiza sus circuitos físicamente para lograr un rendimiento electrónico óptimo y al mismo tiempo ser totalmente fabricable. Esto requiere una gestión cuidadosa de las bibliotecas de componentes, la configuración y los parámetros de CAD, la ubicación de los componentes, el enrutamiento y el diseño de la red de distribución de energía (PDN). Además, los maquetadores deben asegurarse de que su trabajo esté completamente documentado y de que el producto final esté listo para incluirse en el sistema electrónico previsto.

Hay mucho trabajo por hacer, especialmente para los ingenieros que no están familiarizados con el proceso de diseño de PCB. Para ayudar con este flujo de trabajo, es recomendable tener un conjunto completo de pautas de diseño de PCB como referencia. Los estándares de la industria y la empresa dictarán los detalles del diseño, pero las pautas de diseño son esenciales para ayudar a los ingenieros a navegar el proceso de desarrollo de PCB de principio a fin. A continuación se presentan algunas pautas básicas de diseño de PCB que se pueden utilizar para formular su propia guía de desarrollo de PCB.

Antes de comenzar el diseño de PCB

Es necesario abordar varias tareas antes de que comience el proceso de diseño para garantizar un diseño exitoso. Una de las primeras tareas es establecer la biblioteca de huellas de PCB que se utilizará.

Al crear su biblioteca de diseño de PCB, es fundamental utilizar estándares de la industria (como IPC) o especificaciones del fabricante para los tamaños y dimensiones del paquete. Sin embargo, los requisitos personales, de la empresa o técnicos también pueden imponer variaciones para determinadas piezas. Por ejemplo, los paquetes con diseños de RF pueden requerir tamaños de almohadilla más pequeños que los diseños digitales estándar. A continuación se ofrecen algunas pautas adicionales para crear su propia biblioteca de huellas de componentes de PCB:

• Asegúrese de que todos los componentes de la biblioteca que cree tengan tamaños de patrón de pad aceptables con un espaciado que cumpla con los estándares del componente.
• Las huellas de PCB deben incluir todos los elementos necesarios, como contornos de piezas, marcas de serigrafía y designadores de referencia.
• Una buena regla general es asegurarse de que su fabricante pueda construir las piezas que está diseñando antes de enviarlas al diseño final.

Otra opción es utilizar huellas de PCB de proveedores de bibliotecas CAD externos. Los fabricantes de piezas suelen crear sus propios componentes para su sistema de diseño con antelación, y algunas herramientas tienen navegadores para descargar estas piezas cómodamente.

Esquema de PCB y apilamiento de capas

Antes de comenzar con el diseño de la PCB, es necesario trabajar con diseñadores mecánicos para obtener una buena forma del contorno. Si bien los factores de diseño se pueden cambiar más adelante, cualquier cambio puede obligar a un rediseño significativo del circuito para adaptarse a la nueva forma. Además, la mayoría de las herramientas CAD aceptarán datos importados de sistemas de diseño mecánico, lo que facilitará su trabajo. Sin embargo, incluso con datos importados, aún debe asegurarse de que el contorno de la PCB sea correcto y contenga todos los elementos CAD necesarios para su diseño, como zonas de exclusión.

La configuración de capas también debe completarse antes de comenzar el diseño. Si bien puede modificarse posteriormente, el impacto potencial en los circuitos existentes podría alterar el cronograma y el presupuesto del diseño. La configuración de capas debe ajustarse con precisión al diseño específico para garantizar la configuración correcta para el enrutamiento con control de impedancia y otros requisitos de integridad de la señal. La elección del material de la PCB en esta etapa es fundamental para poder determinar el ancho de pista adecuado y realizar otros cálculos de diseño en función de las propiedades físicas del material. Estas propiedades incluyen la constante dieléctrica, la calidad del aislamiento, la tasa de absorción de humedad y el factor de disipación.

Parámetros y configuraciones de CAD

No es raro encontrar diseñadores trabajando con la configuración predeterminada de sus sistemas CAD. Sin embargo, la mayoría de los sistemas CAD brindan a los usuarios un amplio control sobre los colores, patrones de relleno, sombreado, así como tamaños y anchos de fuente. También puede cambiar la visualización de ciertos objetos, colocar un elemento de diseño encima de otro, establecer cuadrículas y especificar preferencias de diseño y enrutamiento. Estas configuraciones están diseñadas para mejorar la eficiencia de su trabajo y puede ahorrar tiempo si las optimiza con anticipación.

Directrices para la colocación de componentes

Una vez que se completan las bibliotecas CAD, el esquema de PCB y otras tareas de configuración, puede comenzar el diseño. El primer paso en este proceso es colocar las huellas de los componentes de la PCB en la placa. La colocación de componentes en la placa debe cumplir tres requisitos principales: rendimiento del circuito, capacidad de fabricación y accesibilidad.

Rendimiento del circuito

Los circuitos de alta velocidad necesitan que sus componentes estén colocados lo más cerca posible entre sí para lograr rutas de señal cortas y directas, pero no son los únicos componentes con este requisito. Los circuitos analógicos y los componentes de potencia también deben ubicarse de manera que sus rutas sensibles o de alta corriente sean lo más cortas posible. Esto ayuda a reducir la inductancia y mejora la integridad de la señal y la energía. Sin embargo, en algunos casos, es posible que sea necesario separar estos componentes para acomodar el enrutamiento del bus o el aislamiento térmico.

Fabricabilidad

Para minimizar al máximo los costes de producción, es importante colocar los componentes de forma que sean lo más fáciles de fabricar posible. Por ejemplo, es posible que los componentes que están demasiado cerca unos de otros no se puedan ensamblar automáticamente o que sean difíciles de soldar con procesos de soldadura automatizados. Los componentes de chip más altos producirán un efecto de sombra cuando la soldadura por ola se realiza en partes más pequeñas frente a ellos, lo que resultará en conexiones de soldadura deficientes. El cobre desequilibrado entre dos almohadillas de soldadura de componentes de chips pequeños producirá un calentamiento desigual, lo que hará que una almohadilla de soldadura se derrita antes que la otra, levantando el otro lado.

Accesibilidad

Por lo general, las placas de circuito deben probarse y reelaborarse manualmente, lo que requiere acceso a los componentes que deben abordarse. Si los componentes más grandes oscurecen estos componentes, su trabajo puede llevar más tiempo o causar daños incidentales a los componentes adyacentes. De manera similar, los conectores, interruptores y otras interfaces hombre-máquina que son inaccesibles también pueden ralentizar la producción de la placa de circuito.

Un principio rector clave es que el diseño debe comenzar con una vista en planta básica de los componentes de la placa de desarrollo. Esto le permitirá idear estrategias sobre cómo dividir las diferentes áreas del circuito en la placa para evitar la superposición de señales analógicas y digitales.

Pautas de diseño de PCB: la ubicación efectiva de los componentes conduce al enrutamiento

Directrices de enrutamiento de PCB

Para los diseñadores de placas de circuitos, es fundamental diseñar sus placas de circuitos para crear una señal óptima y una integridad de energía. Los componentes deben colocarse en posiciones óptimas para lograr un enrutamiento corto y directo. Al mismo tiempo, la placa de circuito impreso debe estar dispuesta de manera que todas las redes puedan enrutarse por completo. Equilibrar estos requisitos puede ser todo un desafío en diseños de alta densidad. La primera pauta de diseño de PCB es establecer reglas de diseño y restricciones para el enrutamiento.

Reglas y restricciones de diseño

Técnicamente, la configuración de reglas y restricciones de diseño debe incluirse en los parámetros y configuraciones. Sin embargo, dado que la mayoría de las reglas se aplican directamente al enrutamiento de rutas, las incluimos aquí. Las reglas y restricciones se utilizan para controlar los anchos y espacios de las pistas y se pueden configurar para redes individuales, grupos de redes llamados clases de redes o como configuraciones predeterminadas para todas las redes no especificadas. Las reglas de diseño también se utilizan para controlar qué vías se seleccionan para diferentes redes, longitudes de enrutamiento y longitudes coincidentes, y qué capas están permitidas para enrutar redes y topologías de enrutamiento específicas. Además, las reglas de diseño se utilizan para controlar el espaciado de los componentes, las reglas de serigrafía, las holguras mecánicas y muchas otras restricciones.

Integridad de la señal y la potencia

Para lograr un rendimiento óptimo y una integridad de señal óptima, los diseñadores de circuitos impresos (PCB) deben seguir requisitos específicos para el enrutamiento de sus circuitos. En este sentido, las reglas y restricciones de diseño son fundamentales, ya que permiten a los diseñadores introducir parámetros de enrutamiento físico en los sistemas CAD. Si bien los valores exactos varían según las necesidades del PCB, los diseñadores suelen establecer reglas para garantizar el cumplimiento de las siguientes directrices:

• Las rutas para transmisiones de alta velocidad deben ser cortas y directas.
• Anchos de pista, espacios y capas permitidas para enrutamiento de impedancia controlada.
• Longitudes de vía especificadas y tolerancias de longitud para enrutamiento de longitud coincidente.
• Anchos y espaciados para pares diferenciales.
• Anchos y espacios para señales sensibles como relojes y controles.
• Vía tipos para diferentes redes.
• Anchos de vía y espaciamientos para circuitos analógicos.
• Anchos de vía y pesos de cobre para circuitos de potencia de alta corriente.

Otra pauta importante a recordar es evitar áreas de cruce entre rutas analógicas y digitales al enrutar diseños de señal mixta.

Directrices efectivas sobre el plano de tierra y potencia

Para diseños modernos de alta velocidad, la estrategia de conexión a tierra óptima suele consistir en utilizar una o más capas de tierra continuas en las capas internas. Esto proporciona una excelente protección contra interferencias electromagnéticas (EMI) y garantiza rutas de señal claras, lo que mejora la integridad general de la señal. En áreas donde se producen discontinuidades en el plano de tierra debido a contornos o características únicas de la placa de circuito impreso (PCB), se debe evitar el enrutamiento en cualquier espacio de tierra en la placa. Si no existen planos de tierra continuos y adyacentes que sirvan como rutas de retorno claras para las señales, su diseño puede generar mucho ruido no deseado. A continuación, se presentan algunas pautas sobre la alimentación y el plano de tierra que conviene tener en cuenta:

• Las capas de tierra deben estar adyacentes a las capas de señal en un Apilado de PCB con enrutamiento de alta velocidad. Esto ayudará a proteger el enrutamiento de alta velocidad de las interferencias y proporcionará un buen plano de referencia para las rutas de retorno de la señal.
• Utilice almohadillas térmicas y administre con cuidado las conexiones eléctricas y de tierra del avión. El radio de la almohadilla de la tira de amortiguación debe ser lo suficientemente ancho como para transportar corriente alta y, al mismo tiempo, eliminar la oportunidad de que estas conexiones actúen como radiadores.
• Planifique las conexiones de alimentación y divida los planos de alimentación con cuidado para garantizar que la energía llegue lo suficiente a todos los componentes conectados en toda la PCB.

Evite enrutar circuitos analógicos y digitales simultáneamente en diseños de señal mixta

Directrices para pruebas de serigrafía y PCB

Una vez finalizado el diseño de la placa de circuito impreso (PCB) , es momento de perfeccionar la disposición, limpiando la capa de serigrafía y añadiendo puntos de prueba. Las marcas de referencia, los números de pieza y otra información de la empresa se imprimen en la PCB mediante serigrafía. Los diseñadores suelen utilizar la capa de "serigrafía" en su sistema CAD para diseñar estas marcas.

Para garantizar que las marcas de las capas de serigrafía sean legibles, los diseñadores siguen estas pautas:

• El ancho de las líneas no debe ser inferior a 4 mils.
• Los tamaños de fuente no deben ser inferiores a 24 mils.

Los designadores de referencia de los componentes deben cambiarse de nombre según el patrón de cuadrícula de la empresa para ayudar a ubicar piezas específicas en la placa de circuito. Mueva y gire las marcas de referencia para que sean fáciles de leer. Incluya la polaridad y fije una marca cuando sea necesario.

Los puntos de prueba son cruciales para las placas de circuito destinadas a la producción en masa para la verificación automatizada del ensamblaje. Cada red en el diseño debe tener un punto de prueba, ya sea un pasador de orificio pasante existente, una vía o una plataforma de prueba de montaje en superficie agregada. Los puntos de prueba deben estar al menos a 50 mils de distancia de otros objetos en la PCB, como componentes o almohadillas, y al menos a 100 mils del borde de la PCB. Sin embargo, estos valores pueden variar según el proveedor, así que asegúrese de verificar cuáles son los requisitos de punto de prueba del fabricante.