Abordar los problemas de diseño de PCB

El diseño adecuado de la placa de circuito impreso (PCB) es fundamental para la capacidad de producir prototipos electrónicos que sean tanto operativa como comercialmente eficientes. Esto es particularmente cierto para las aplicaciones integradas. Los circuitos integrados varían en tamaño y tipo según el microprocesador, los componentes y el sistema operativo, pero sobre todo en la complejidad del software, que puede variar desde unos pocos cientos de bytes hasta varios megabytes de código.

A partir del diagrama de circuito desarrollado, es posible realizar simulaciones y diseñar la PCB exportando archivos Gerber / drill. Independientemente del diseño, los ingenieros deben saber con precisión cómo deben organizarse los circuitos eléctricos (y los componentes electrónicos) y cómo funcionarán. Para los EE, encontrar las herramientas de software adecuadas para el diseño de PCB puede ser una tarea abrumadora. Una herramienta de software que sea ideal para un proyecto de PCB puede ser menos apropiada para otros. Los EE quieren herramientas de diseño de placas que sean intuitivas, que incluyan funcionalidades útiles, que sean lo suficientemente estables como para limitar los riesgos y que tengan una biblioteca sólida que las haga aplicables a múltiples proyectos.

Problemas de hardware

Para proyectos dirigidos a Internet de las cosas, en los que la integración es fundamental para el rendimiento y la confiabilidad, la integración de materiales conductores y no conductores dentro de una PCB requiere que los diseñadores de IoT estudien las interacciones entre los diversos aspectos eléctricos y mecánicos del diseño. En particular, el calentamiento eléctrico en una PCB se convierte en un factor cada vez más crítico a medida que el tamaño de los componentes continúa reduciéndose. Al mismo tiempo, los requisitos funcionales van en aumento. Para lograr un rendimiento basado en el mérito tal como se diseñó, la respuesta a la temperatura, el comportamiento de los componentes eléctricos en la placa y la gestión térmica general son fundamentales para la funcionalidad y confiabilidad del sistema.

Una placa de circuito impreso debe estar aislada para garantizar la protección. Los cortocircuitos se evitan protegiendo las pistas de cobre colocadas en la placa para crear el sistema electrónico. FR-4 se prefiere como material de sustrato sobre alternativas de menor costo como el papel aglomerado de resina sintética (SRBP, FR-1, FR-2) debido a sus características físicas / mecánicas, especialmente su capacidad para retener datos a altas frecuencias, su alta resistencia al calor y su capacidad para absorber menos agua que otros materiales. El FR-4 se usa ampliamente para la construcción de alta gama y para equipos industriales y militares. Es compatible con aislamiento ultra alto (vacío ultra alto o UHV).

Pero FR-4 enfrenta una serie de limitaciones como sustrato de PCB que se derivan del procesamiento químico utilizado en la producción. En particular, el material es susceptible a la formación de inclusiones (burbujas de aire) y rayas (burbujas de aire longitudinales), así como a la deformación del tejido de vidrio. Estas imperfecciones dan lugar a inconsistencias en la rigidez dieléctrica y perjudican el rendimiento de las trazas de PCB. Los nuevos materiales de vidrio epoxi resuelven estos problemas.

Otros materiales de uso común son la poliamida / fibra de vidrio, que soporta temperaturas más altas y es más rígido, y KAPTON, que es flexible, liviano y adecuado para aplicaciones como pantallas y teclados. Los factores a considerar al seleccionar un material dieléctrico (sustrato) incluyen el coeficiente de expansión térmica (CTE), la temperatura de transición vítrea (Tg), la conductividad térmica y la rigidez mecánica.

Los PCB militares / aeroespaciales requieren consideraciones de diseño especiales, basadas en especificaciones de diseño y cobertura del 100% de diseño para prueba (DFT). La norma MIL-STD-883 establece métodos y procedimientos para probar dispositivos microelectrónicos adecuados para su uso en sistemas militares y aeroespaciales, incluidas las pruebas mecánicas y eléctricas, los procedimientos de fabricación y capacitación y otros controles, para garantizar un nivel uniforme de calidad y confiabilidad en todo el mundo. varias aplicaciones para tales dispositivos.

El diseño de un dispositivo electrónico para un sistema automotriz debe seguir una serie de reglas además de cumplir con varios estándares, como las pruebas mecánicas y electrónicas AEC-Q100 para circuitos integrados empaquetados. Los efectos de diafonía pueden afectar la seguridad del vehículo. Para minimizar esos efectos, los diseñadores de PCB deben imponer una distancia mínima entre la señal y las líneas eléctricas. El diseño y la estandarización se facilitan mediante herramientas de software que resaltan automáticamente los aspectos del diseño que necesitan modificaciones adicionales para cumplir con los límites de interferencia y las condiciones de disipación de calor a fin de evitar comprometer el funcionamiento del sistema.

Figura 1:Altium Designer (Imagen:Altium)

La interferencia del circuito en sí no es la única amenaza para la calidad de la señal. Los PCB de los automóviles son bombardeados con ruido que interactúa de formas complicadas con la carrocería del automóvil, lo que induce una corriente no deseada en los circuitos. Y los picos y fluctuaciones de voltaje causados ​​por el sistema de encendido del automóvil pueden empujar los componentes fuera de sus tolerancias de mecanizado.