Guía de diseño de placa de circuito impreso

Las placas de circuito impreso, también conocidas como PCB, forman el núcleo de cada pieza electrónica en la actualidad. Estos pequeños componentes ecológicos son esenciales tanto para los electrodomésticos como para las máquinas industriales. El diseño y la disposición de la placa de circuito impreso es 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, la complejidad y las expectativas de estos diseños han alcanzado nuevas cotas gracias a la innovación de los ingenieros eléctricos.

Los avances recientes en la tecnología y los sistemas de diseño de PCB han tenido efectos radicales en toda la industria. Como resultado, las reglas de diseño de PCB y los procesos de producción han evolucionado para lograr nuevos diseños y capacidades. Hoy en día, las pistas más pequeñas y las placas multicapa son comunes en los PCB producidos en masa; estos diseños no se habrían escuchado hace años. El software de diseño de PCB también ha ayudado con esta progresión. 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 de circuito impreso son difíciles de diseñar. Incluso el ingeniero electrónico más experimentado puede tener dificultades para crear un circuito en una PCB o cómo diseñar una placa PCB de acuerdo con las mejores prácticas de la industria. Aún más difícil es crear un tablero de calidad para satisfacer 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 complicado. Es por eso que describimos el proceso de diseño de PCB, incluidas algunas reglas esenciales de diseño de PCB.

Determinación de la necesidad

El primero de los principales pasos de diseño de PCB es una necesidad. Para la mayoría de los ingenieros electrónicos, estos requisitos los dicta el cliente, quien enumerará todos los requisitos que debe cumplir la placa de circuito impreso. Luego, el ingeniero electrónico debe convertir las necesidades enumeradas por el cliente en formato electrónico. Esencialmente, esto significa traducirlos a un lenguaje de lógica electrónica, que es lo que usará el ingeniero cuando diseñe la PCB.

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

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

Esquemas

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

Toda esta información está contenida en el esquema durante la etapa inicial de diseño. Después de terminar el primer esquema, el diseñador realiza un análisis preliminar, verifica posibles problemas y los edita según sea necesario. Luego, el esquema se carga en una herramienta especial para usar 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 hayan pasado por alto durante la verificación esquemática inicial. Después de eso, el diseño electrónico del circuito se puede convertir en una "netlist", que incluye información sobre la interconectividad de los componentes.

Al considerar el diseño de su esquema, los ingenieros electrónicos deben tener en cuenta algunos conceptos básicos de diseño de placas de circuito cruciales desde el principio. Algunas de estas consideraciones para implementar durante la etapa de desarrollo esquemático incluyen lo siguiente:

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• • Selección del tamaño de panel de PCB adecuado:seleccionar el tamaño de placa más compatible con el equipo que se utilizará es una buena práctica básica, aunque a menudo olvidada. De esta manera, no se desperdicia espacio extra, las huellas se mantienen en un tamaño mínimo y los costos generales de materiales se mantienen algo bajos. Sin embargo, es importante asegurarse de que las especificaciones de diseño estén optimizadas para la producción en masa. Ir demasiado pequeño con un diseño de tablero puede no ser factible para configuraciones de producción en masa que producen suficiente variación entre piezas para interrumpir diseños más pequeños.
• • Seleccione la rejilla correcta:el espaciado de la rejilla siempre se establece y aplica para adaptarse a la mayoría de los componentes. Cumplir con esta cuadrícula es una de las cosas más beneficiosas que un ingeniero puede hacer para evitar problemas de espacio, por lo que es crucial seleccionar la mejor para el trabajo. Si algunas partes no funcionan tan bien con la cuadrícula, el diseñador debe intentar encontrar alternativas o, mejor aún, usar productos de diseño propio.
• • Implemente DRC tanto como sea posible:muchas 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 se acumulen pequeños errores y opciones de diseño cuestionables, lo que da como resultado más trabajo correctivo al final del proceso de diseño. En cambio, los diseñadores deben verificar su trabajo con un DRC tan a menudo como sea posible. Esto les permite abordar los problemas identificados por la DRC lo más rápido posible y minimiza la cantidad de cambios masivos al final del proceso de diseño. Esto termina ahorrando tiempo y suavizando el proceso de edición, por lo que no es tan pesado.

Lista de materiales

Mientras se genera el esquema, el ingeniero electrónico también desarrolla una buena lista de materiales o BOM. Esta es la lista de componentes utilizados en el esquema de la placa PCB. Una vez que se completan tanto la lista de materiales como el esquema, el ingeniero electrónico pasa a un ingeniero de diseño y a un ingeniero de componentes. Estos ingenieros verifican los detalles y obtienen los componentes necesarios para el proyecto. Específicamente, el ingeniero de componentes es responsable de elegir los componentes que se ajustan al esquema en términos de voltaje y corriente de funcionamiento máximos. También son responsables de seleccionar el equipo que se encuentra dentro de los parámetros de costo y tamaño razonables.

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

• • Cantidad:la cantidad de componentes comprados debe coincidir, como mínimo, con la cantidad de componentes enumerados en la lista de materiales.
• • Designadores de referencia:cada componente debe identificarse según su lugar dentro del circuito en la PCB.
• • Valor:cada componente debe estar dentro de un rango específico de valores, incluidos ohmios, faradios, etc. El costo es un factor si es de interés para el cliente.
• • Huella:se debe enumerar la ubicación de cada componente.
• • Número de pieza del fabricante:haga un seguimiento del número de pieza en caso de mal funcionamiento, tanto para el bien de los ensambladores como para la referencia del fabricante.

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

• • Integrar componentes:elegir componentes es uno de los trabajos más importantes como diseñador. Para ayudar con el proceso, tiene la opción de seleccionar componentes discretos con valores de componentes altos o bajos y efectos similares. Al integrar estos componentes y producir una categoría de valor estándar pequeña, puede simplificar efectivamente la lista de materiales y disminuir el costo del producto.


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• • Aplique un condensador de desacoplamiento:nunca intente optimizar su diseño deshaciéndose de las líneas eléctricas desacopladas. Muchos diseñadores evitan estos capacitores en un intento equivocado de reducir costos. Los capacitores tienen un precio bajo y son muy duraderos, lo que agrega longevidad a su diseño. Los condensadores también ayudarán a mantener el orden de su placa de circuito mientras mantienen los costos bajos. Concéntrese en los consejos anteriores si le preocupa su lista de materiales.

Colocación de componentes de PCB

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

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

Algunas consideraciones de diseño más a tener en cuenta durante esta etapa del ciclo de diseño incluyen lo siguiente:

• • Identifique y divida los componentes relacionados y los puntos de prueba requeridos:si hay algún componente preocupante en la PCB, colóquelo cerca de los puntos de prueba requeridos para una detección de fallas más oportuna.
• • Aplique serigrafía de manera flexible:la serigrafía puede marcar una amplia gama de información para que la utilicen los fabricantes, ingenieros, ensambladores y probadores de PCB durante varias partes del proceso de ensamblaje de PCB. En la serigrafía, es una buena idea marcar funcionalidades, marcas de prueba y direcciones de colocación de componentes y conexiones. Trate de aplicar serigrafías tanto en la parte superior como en la inferior de la placa de circuito impreso para evitar el trabajo duplicado y, al mismo tiempo, aclarar las instrucciones para los ensambladores manuales, lo que simplifica el proceso de producción.

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

Enrutamiento

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

Afortunadamente, la mayoría del software de diseño de PCB enrutará las trazas utilizando la lista de conexiones desarrollada a partir del esquema. El programa hace esto usando la cantidad de capas disponibles para la conexión y calculando las mejores rutas para aprovechar el espacio. El programa también altera el diseño según sea necesario. Esto puede requerir mucha potencia informática, especialmente para modelos más grandes. El resultado es un proceso de enrutamiento más prolongado:el programa puede demorar aún más cuando los componentes se colocan en una disposición particularmente densa.

Si bien la mayoría del software de PCB enrutará las trazas de acuerdo con la lista de conexiones de un esquema, este software no es universal. No todos los diseñadores de PCB usan software de enrutamiento automático, e incluso aquellos que lo hacen tienden a verificar dos veces los rastros en busca de problemas. Esta siempre es una buena práctica de todos modos, ya que incluso las computadoras pueden producir resultados que no le gustan al diseñador.

La regla general para las trazas es que aquellas con un ancho de 10 a 20 mils pueden transportar de 10 a 20 mA de corriente. Las huellas con anchos de 5 a 8 mils, por otro lado, pueden transportar una corriente inferior a diez mA. Esta es una consideración especialmente importante para diseños de PCB de alta corriente o diseños para PCB con señales que cambian rápidamente, ya que enrutarlos a nodos de alta frecuencia requerirá un ancho de traza específico.

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• • Distribuya las líneas de alimentación y tierra de forma adecuada:la mayoría de los diseñadores de PCB dedicarán una capa de circuito para usarla como plano de tierra. Otro generalmente se dedicará como un avión de potencia. Esto ayuda a reducir el nivel de ruido en la PCB y permite al diseñador crear conexiones de fuente de baja resistencia. Una buena práctica de diseño de PCB es distribuir las líneas según el plano de potencia tanto como sea posible. Esto ayuda a mejorar la eficiencia y reducir la impedancia mientras proporciona suficientes rutas de bucle de tierra.
• • Mantenga trazos cortos:asegúrese de que los trazos sean lo más cortos posible en cada etapa del diseño. Si bien la mayoría de los procesos de ensamblaje de PCB incluyen un paso para optimizar la longitud de la traza, esto debe practicarse en cada etapa del diseño. Esta regla debe observarse aún más de cerca cuando el diseñador está trabajando 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 parásitos.

Cheques

Verificar 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. La placa de circuito impreso con un diseño térmico perfecto puede mantener toda la placa a una temperatura constante y uniforme, lo que evita puntos de calor. Sin embargo, tales puntos de calor e inconsistencias de temperatura pueden ser causados ​​por cualquier cantidad de características de diseño, como variaciones en el grosor del cobre, la cantidad de capas en la PCB, tamaños de placa de PCB más grandes y la presencia o ausencia de rutas térmicas.

Una simple verificación de diseño puede detectar problemas potenciales en la gestión del calor de PCB, la mayoría del software PCB DRC también puede detectarlos. Existen varios métodos para reducir las temperaturas operativas de PCB, muchos de los cuales se mitigan con los conceptos básicos de diseño de PCB. Algunos de estos consejos para controlar el calor incluyen:

• • Conecte tierra sólida o planos de alimentación con más capas directamente a la fuente de calor de la placa de circuito impreso. Estos aviones suelen ser más capaces de disipar el calor, ya que tienden a contener más cobre.
• • Establezca rutas efectivas de calor y alta corriente para ayudar a dirigir y disipar el calor. Esto puede ayudar a optimizar la transferencia de calor.
• • Maximice el área utilizada para la transferencia de calor. Esto puede ayudar a mantener una temperatura más baja en todos los ámbitos. Sin embargo, esto es algo que debe tenerse en cuenta al principio del proceso de diseño, ya que puede afectar el tamaño de la placa.

La mayoría del software DRC puede detectar los problemas antes mencionados. El software DRC toma todos los detalles sobre un diseño de PCB y determina si el diseño cumple con una lista de parámetros predeterminados. Estas se denominan reglas de diseño de PCB. Idealmente, como se mencionó anteriormente, el DRC debe usarse durante todo el proceso de diseño para identificar las áreas problemáticas desde el principio. Sin embargo, si todo lo demás falla, usar DRC después de que todo lo demás esté completo puede ahorrar mucho tiempo de diseño y confusión entre el diseñador y la empresa de montaje.

El paso de verificación del proceso de diseño no solo incluye la verificación DRC, también incluye varios otros procesos de verificación física, incluida una verificación de diseño versus esquema (LVS), una verificación XOR, una verificación de regla eléctrica (ERC) y antena. controlar. Los fabricantes de PCB más avanzados pueden usar controles y reglas adicionales para mejorar el rendimiento, pero estos son los controles básicos que suelen usar los diseñadores y fabricantes.

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

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