Consideraciones de diseño de PCB

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• Consideraciones de diseño y diseño de PCB
• La importancia de las pruebas
• Resolviendo problemas de diseño de PCB con CAD
• Elegir un proveedor de PCB

Diseñar el diseño de su placa de circuito impreso es crucial para crear una placa confiable y rentable. Si bien el diseño del circuito y la selección de componentes también son esenciales, siempre debe asegurarse de dejar suficiente tiempo para el diseño de la placa de circuito impreso. Se necesita mucho para determinar el diseño de diseño de PCB óptimo, especialmente porque las placas de hoy en día son cada vez más complejas, compactas y livianas. La creciente popularidad de las PCB flexibles también complica el proceso.

Si no tiene en cuenta importantes consideraciones de diseño de PCB, puede terminar con un diseño que no se traduce bien en el mundo real. Un diseño inadecuado puede dar lugar a varios problemas, como interferencias electromagnéticas, conflictos de componentes a ambos lados de la placa, funcionalidad limitada de la placa e incluso falla total de la placa. Además, si no obtiene el diseño correcto la primera vez, deberá volver a trabajarlo, lo que puede causar demoras en la fabricación y costos adicionales.

Entonces, ¿cuáles son las reglas y consideraciones de diseño de diseño de PCB que debe tener en cuenta? Veamos los pasos del diseño del diseño de PCB e identifiquemos algunas de las consideraciones principales para cada fase. Por supuesto, también hay otras consideraciones que quizás desee tener en cuenta, pero estos son algunos de los aspectos más críticos del diseño de PCB que debe tener en cuenta.

Pasos básicos de diseño de PCB

El diseño de PCB desempeña un papel en cada paso del proceso de producción de placas de circuito impreso, desde el momento en que sabe que necesita una PCB hasta la producción final. El proceso de diseño básico incluye seis pasos.

1. Concepto

Después de identificar la necesidad de una PCB, el siguiente paso es determinar el concepto final de la placa. Esta fase inicial consiste en definir las funciones que tendrá y realizará la PCB, sus características, su interconexión con otros circuitos, su ubicación en el producto final y sus dimensiones aproximadas. Además, considere el rango de temperatura aproximado en el que operará la placa y cualquier otra preocupación ambiental.

2. Esquema

La siguiente fase es dibujar el esquema del circuito basado en el concepto final. Este diagrama incluye toda la información necesaria para que los componentes eléctricos de la placa funcionen correctamente, así como detalles como los nombres de los componentes, el valor, la clasificación y los números de pieza del fabricante.

Mientras crea su esquema, creará su lista de materiales. Esta lista de materiales contiene información sobre todos los componentes que necesita para su PCB. Mantenga siempre estos dos documentos actualizados.

3. Diagrama de bloques a nivel de placa

A continuación, completará un diagrama de bloques a nivel de placa, un dibujo que describe las dimensiones finales de la PCB. Marque las áreas designadas para cada bloque, secciones de componentes que están conectados por razones eléctricas o por restricciones. Mantener juntos los componentes relacionados le permitirá mantener sus trazas cortas.

4. Colocación de componentes

El siguiente paso es la ubicación de los componentes, que determina dónde colocará cada elemento en el tablero. A menudo, puede pasar por varias rondas de refinación de la ubicación de los componentes.

5. Enrutamiento de primer paso

A continuación, determine el enrutamiento y la prioridad de enrutamiento para el circuito.

6. Prueba

Una vez que haya completado el diseño, debe realizar una serie de pruebas para asegurarse de que cumple con todas sus necesidades. Si es así, el diseño está completo. De lo contrario, volverá a las fases en las que necesita hacer ajustes.

Documentación de diseño

A medida que vaya creando su PCB, desarrollará numerosos documentos. Estos documentos incluyen:

• Los dibujos dimensionales del hardware: Describe el tamaño de la tabla desnuda
• El Esquema: Mapea las características eléctricas de la placa
• La lista de materiales: Describe los componentes necesarios para el proyecto
• El archivo de diseño: Describe el diseño básico de la PCB
• El archivo de colocación de componentes: Describe la ubicación de los componentes individuales.
• Los dibujos e instrucciones de montaje: Explica cómo montar la placa
• Las guías del usuario: Si bien no son obligatorios, son útiles para proporcionar información adicional al usuario
• El conjunto de archivos Gerber: La colección de archivos de salida del diseño que el fabricante de PCB usará para crear el PCB

Consideraciones de diseño de diseño de PCB

Hay mucho que considerar con respecto al diseño y diseño de PCB. Algunas consideraciones se aplican a todo el proceso, mientras que otras son específicas de pasos particulares. Aquí hay siete factores relevantes a tener en cuenta.

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1. Restricciones de la placa

Las primeras restricciones que debe tener en cuenta son las asociadas con la placa desnuda. Algunas de estas restricciones básicas incluyen el tamaño y la forma del tablero.

Deberá asegurarse de tener un área de placa adecuada para el circuito. El tamaño del producto final, la funcionalidad que debe proporcionar la placa y otros factores determinan el tamaño que debe tener la placa. Los productos electrónicos y los circuitos que incorporan son cada vez más pequeños. Antes de comenzar el proceso de diseño, calcule el tamaño del tablero. Si no tiene suficiente espacio para todas las funciones requeridas con un diseño más sencillo, es posible que deba usar un diseño de interconexión de alta densidad (HDI) o multicapa.

La PCB estándar es rectangular. Esta sigue siendo, abrumadoramente, la forma más común de las PCB. Sin embargo, es posible crear tableros en otras formas. Los diseñadores de PCB suelen hacer esto debido a las limitaciones de tamaño o al uso en productos de forma irregular.

Otra consideración crítica es la cantidad de capas que necesitará, qué niveles de potencia y complejidad del diseño ayudarán a decidir. Lo mejor es averiguar cuántos necesita al principio del proceso de diseño del diseño. Agregar más capas puede aumentar los costos de producción, pero le permite incluir más pistas. Esto puede ser necesario para tableros más complejos con funcionalidad avanzada.

Utilice al menos dos vías para realizar transiciones de capa para todas las rutas de alta corriente. El uso de múltiples vías en las transiciones de capas aumenta la confiabilidad, mejora la conductividad térmica y reduce las pérdidas inductivas y resistivas.

2. Procesos de Fabricación

También debe considerar los procesos de fabricación que le gustaría emplear para producir la placa. Los diferentes métodos tienen diferentes limitaciones y restricciones. Deberá usar orificios o puntos de referencia que funcionen con el proceso de fabricación en el tablero. Asegúrese siempre de que los orificios no tengan componentes.

Además, tenga en cuenta el método de montaje de la placa. Diferentes enfoques pueden requerir que deje abiertas diferentes áreas del tablero. El uso de varios tipos de tecnología, como componentes de montaje en superficie y de orificio pasante, puede aumentar el costo de sus placas, pero puede ser necesario en algunos casos.

Siempre consulte con su fabricante para asegurarse de que tenga la capacidad para producir el tipo de tablero que necesita. Es posible que algunos, por ejemplo, no puedan fabricar tableros con muchas capas, o aquellos que usan un diseño flexible.

3. Materiales y Componentes

Considere durante la fase de diseño los materiales y componentes que planea usar para su tablero. Primero deberá asegurarse de que los elementos deseados estén accesibles. Algunos materiales y piezas son difíciles de encontrar, mientras que otros son tan caros que tienen un costo prohibitivo. Diferentes componentes y materiales también pueden venir con diferentes necesidades de diseño.

Tómese el tiempo para asegurarse de haber elegido los materiales y componentes óptimos para su tablero, y también de haber diseñado un tablero que aproveche los puntos fuertes de esos elementos.

4. Orden de colocación de componentes

Una de las pautas de diseño de PCB más fundamentales implica el orden en que coloca los componentes en la placa. El orden recomendado es conectores, luego circuitos de potencia, luego circuitos de precisión, luego circuitos críticos y luego el resto de elementos. Los niveles de potencia, la susceptibilidad al ruido, la generación y la capacidad de enrutamiento también influyen en la prioridad de enrutamiento de un circuito.

5. Orientación

Al colocar componentes, intente orientar aquellos que son similares entre sí en la misma dirección. Esto hará que el proceso de soldadura sea más eficiente y ayudará a evitar que se produzcan errores durante el mismo.

6. Colocación

Trate de no colocar piezas en el lado de soldadura de la placa de circuito impreso que quedarán detrás de las piezas de orificio pasante enchapadas.

7. Organización

La organización lógica de sus componentes puede reducir la cantidad de pasos de ensamblaje necesarios, lo que aumenta la eficiencia y reduce los costos. Intente colocar todos los componentes de montaje en superficie en un lado de la placa y todos los componentes de orificio pasante en el lado superior.

Consideraciones sobre alimentación, tierra y seguimiento de señal

Los consejos anteriores se centraron en la colocación de componentes de PCB. Para que esos componentes funcionen como se desea, también debe enrutar los rastros de alimentación, tierra y señal. Completar este paso de manera eficiente ayudará a garantizar que sus señales tengan un camino confiable para viajar para que su tablero funcione correctamente. Aquí hay cinco factores a tener en cuenta.

1. Planos de potencia y tierra

Una regla fundamental de diseño de diseño de PCB es mantener sus planos de alimentación y tierra internamente dentro de su placa. También deben estar centrados y simétricos para evitar que la tabla se doble o tuerza. El arqueamiento puede hacer que los componentes se muevan fuera de su posición y potencialmente dañen la placa. Otras recomendaciones incluyen el uso de rieles comunes para cada suministro, asegurándose de tener seguimientos extensos y confiables y evitando crear cadenas de margaritas para conectar componentes.

El alto voltaje en los circuitos de potencia puede interferir con los circuitos de control de corriente y bajo voltaje. Puede usar la ubicación de su tierra de alimentación y tierra de control para ayudar a minimizar esta interferencia. Trate de mantener separados los terrenos para cada etapa de la fuente de alimentación. Si necesita colocar algunos juntos, asegúrese de que estén hacia el final de su ruta de suministro. Si su plano de tierra está en la capa intermedia de su placa, incluya una pequeña ruta de impedancia para evitar interferencias en el circuito de alimentación.

También debe mantener sus tierras digitales y analógicas separadas de manera similar. Intente que solo las líneas analógicas crucen su conexión a tierra analógica para reducir el acoplamiento capacitivo.

2. Diseño de pistas

Este paso también implica conectar trazas de señal de acuerdo con su esquema. Siempre quieres que tus trazos sean lo más breves y directos posible. Si tiene un enrutamiento de trazo horizontal en un lado de la PCB, coloque trazos verticales en el otro lado.

Su tablero puede requerir múltiples redes con diferentes corrientes, lo que determinará el ancho de red que necesita. Usar una calculadora de ancho de trazo puede ayudar con este paso. Las pistas delgadas solo pueden transportar tanta corriente. Las pistas que tienen un grosor de 0,010″ pulgadas o 10 mils solo pueden recibir una corriente de alrededor de un amperio, mientras que una pista que tiene un grosor de 250 mils puede transportar hasta 15 amperios con un aumento de temperatura de 30 grados centígrados.

3. Dimensión de almohadilla y orificio

También deberá determinar las dimensiones de la almohadilla y el orificio al principio del proceso de diseño de PCB. A medida que disminuye el tamaño de las almohadillas y los orificios, se vuelve más crucial obtener la proporción correcta entre el tamaño de la almohadilla y el orificio. Es especialmente crítico cuando se trabaja con orificios pasantes. El fabricante de PCB desnudo puede proporcionar pautas sobre los estándares y la relación de aspecto que requieren.

Otra consideración importante es la forma de las almohadillas de PCB. Las huellas de PCB pueden variar según el proceso de fabricación. La soldadura por ola generalmente requiere huellas más grandes que la soldadura por reflujo infrarrojo, por ejemplo.

4. Integridad de la señal y problemas de RF

El diseño de la placa de circuito impreso desempeña un papel crucial para garantizar la integridad de la señal y prevenir problemas eléctricos como interferencias, a menudo denominadas interferencias de radiofrecuencia o interferencias electromagnéticas.

Evitar estos problemas tiene mucho que ver con la forma en que enruta sus rastros. Para evitar problemas de señal, evite ejecutar pistas paralelas entre sí. Las pistas paralelas tendrán más diafonía, lo que puede causar varios problemas que son difíciles de solucionar una vez que haya construido la PCB. Si las pistas deben cruzarse entre sí, asegúrese de que lo hagan en ángulo recto. Esto reducirá la capacitancia y la inductancia mutua entre las líneas, lo que a su vez disminuirá la diafonía.

El uso de componentes semiconductores que generan baja radiación electromagnética también puede ayudar con la integridad de la señal. Sin embargo, a veces, otras necesidades pueden requerir piezas que tengan una mayor generación electromagnética.

Al diseñar una placa de circuito impreso, elimine las antenas, que pueden irradiar energía electromagnética, así como los grandes bucles de señal y las líneas de retorno a tierra que transmiten altas frecuencias. Debe colocar los circuitos integrados con cuidado para lograr líneas de interconexión cortas.

La colocación de una rejilla de conexión a tierra cercana sobre la placa de circuito impreso es otra pauta de diseño de diseño de placa de circuito impreso de RF esencial que ayuda a garantizar que las líneas de retorno estén cerca de las líneas de señal. Esto mantiene el área efectiva de la antena relativamente pequeña. En una placa multicapa, puede lograr esto con un plano de tierra.

5. Problemas térmicos

Los problemas térmicos pueden afectar muchas partes diferentes del proceso de diseño. Las placas más grandes y aquellas con mayor densidad de componentes y mayores velocidades de procesamiento tienden a tener más problemas relacionados con el calor. Para las juntas más pequeñas, es posible que no sean una preocupación, pero para las más avanzadas, pueden ser un desafío importante.

Para evitar problemas relacionados con el calor, debe permitir que el calor se disipe. Primero, identifique los componentes que generan mucho calor. Debería poder encontrar las clasificaciones de resistencia térmica de cada componente en su hoja de datos. Luego, puede seguir las pautas recomendadas para desviar el calor de ese componente.

Asegúrese de dejar suficiente espacio alrededor de todos los componentes que puedan calentarse. Cuanto más calor generen, más área necesitarán para refrescarse. También es vital no colocar componentes críticos cerca de fuentes de calor.

Idealmente, toda la placa tendrá la misma temperatura de funcionamiento. Use planos termoconductores para disipar el calor en un área amplia, lo que acelera la velocidad a la que disminuye la temperatura al aumentar el área de superficie utilizada para la transferencia de calor.

Si los problemas térmicos son importantes para su placa, es posible que deba incluir ventiladores de enfriamiento, disipadores de calor y alivios térmicos, que son fundamentales para la soldadura por ola en placas multicapa y ensamblajes con alto contenido de cobre. Puede crear disipadores de calor con una pasta disipadora de calor, un polímero relleno con partículas sólidas finamente dispersas. Puede aplicar esta pasta mediante serigrafía o plantilla. Después de un proceso de secado u horneado, se fija y actúa como disipador de calor.

Siempre es recomendable usar alivios térmicos en los componentes de orificio pasante, lo que reduce la velocidad a la que el calor se disipa a través de las placas del componente. Como regla general, use un patrón de alivio térmico cada vez que una vía o un orificio se conecte a un plano de tierra o energía. También puede usar gotas en forma de lágrima donde se unen las huellas y las almohadillas para brindar soporte adicional y reducir el estrés térmico.

La importancia de las pruebas

A lo largo del proceso de diseño de PCB, así como el resto del proceso de fabricación de PCB, debe verificar continuamente su trabajo. Detectar los problemas desde el principio ayudará a minimizar su impacto y reducir los costos de solucionarlos.

Dos pruebas comunes que debe realizar son la verificación de reglas eléctricas y la verificación de reglas de diseño. Estas pruebas lo ayudarán a resolver muchos de los problemas más importantes que pueda encontrar.

Una vez que pueda pasar sus pruebas ERC y DRC sin ningún problema, debe verificar el enrutamiento de cada señal y comparar su placa con su esquema en detalle.

Resolviendo problemas de diseño de diseño de PCB con CAD

Hoy en día, la mayoría de los diseñadores de PCB utilizan sistemas de software de diseño asistido por computadora (CAD) avanzados para crear sus PCB. De manera similar, los fabricantes utilizan software de fabricación asistido por computadora. El uso de estos sistemas puede ayudarlo a resolver muchos de los problemas de diseño que pueda encontrar. Algunas de las ventajas de usar estos sistemas de software incluyen:

• Procesos de diseño simples y semiautomáticos: Los programas CAD le permiten arrastrar y soltar componentes donde los necesite para su diseño. Muchos sistemas incluso crearán los trazos para usted, y luego podrá mover, agregar o eliminar componentes o redirigirlos según sea necesario. Este enfoque puede aumentar la eficiencia y precisión de su proceso de diseño.
• Validación del diseño: Antes de enviar su diseño a la etapa de fabricación, puede probarlo usando un sistema CAD para verificar sus tolerancias, compatibilidad, colocación de componentes y otros aspectos. Muchos sistemas pueden incluso detectar errores básicos en tiempo real, minimizando o eliminando su impacto.
• Generación de archivos de fabricación: Puede generar archivos Gerber y otros formatos de archivos que necesite enviar al fabricante con un sistema CAD. La creación de estos archivos directamente desde el software de diseño puede ayudar a aumentar su precisión y garantizar una transición sin problemas a la etapa de fabricación.
• Documentación: También puede usar estos sistemas para generar y guardar documentación detallada relacionada con el uso de componentes, informes de errores, estado de diseño, control de versiones y más, lo que puede ayudar con proyectos futuros.
• Creación de reglas: Algunos de estos programas le permiten crear y almacenar conjuntos de reglas personalizados, que puede compartir con los diseñadores para mejorar la funcionalidad del software.
• Creación de plantillas: Incluso puede crear plantillas para usar en proyectos futuros. Una vez que crea un diseño, puede guardarlo y reutilizarlo como plantilla para otros proyectos.
• Mayor eficiencia y reducción de costos: La incorporación del diseño asistido por computadora en sus operaciones puede mejorar la eficiencia y la precisión de su proceso de diseño, lo que reduce los costos generales.

Elegir un proveedor de PCB

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