El gran debate sobre las «reglas de oro» del diseño de PCB continúa

A día de hoy, sigo viendo a menudo muchas «reglas de oro» para el diseño de las placas de circuito impreso (PCB) que se popularizaron hace casi 20 años. ¿Podemos seguir considerando estás reglas como algo de uso general? La respuesta es un rotundo "depende". Muchas de las conversaciones que te encontrarás en los foros relacionados con las reglas de diseño de PCB acaban desembocando en una discusión del tipo "siempre/nunca", lo que hace que algunos diseñadores utilicen o ignoren las reglas de diseño comunes en situaciones en las que estas podrían no aplicarse. Por suerte, en algunos casos, esto no causará que la placa falle. Como dicen algunos veteranos del diseño de PCB, la placa podría funcionar bien por casualidad.

La polémica en torno a las reglas de oro del diseño de PCB no se centra en si tales reglas son correctas o incorrectas. Al contrario, el problema radica en que la discusión en torno a ellas a menudo carece de contexto, lo que conduce a la dicotomía de "siempre o nunca" que puede verse en algunos foros populares. Mi objetivo en este artículo es poner sobre la mesa el contexto existente más allá de las reglas habituales de diseño de PCB. Con suerte, esto arrojará algo de luz sobre cuándo deben aplicarse o evitarse estas diferentes reglas.

Las reglas de oro del diseño de PCB

Sin más preámbulos, desglosemos algunas reglas comunes del diseño de PCB y veamos si podemos proporcionarles algo de contexto explicativo.

Enrutamiento Ortogonal

Ya mencioné esta regla general en un artículo reciente, así que aquí solo repetiré los puntos clave. La regla del enrutamiento ortogonal establece que las pistas de las capas de señal adyacentes deben enrutarse en líneas perpendiculares para eliminar la diafonía inductiva entre ellas. A altas frecuencias verás que empieza a predominar la diafonía capacitiva, produciendo picos de corriente entre las pistas ortogonales.

Con un tiempo de subida bajo y frecuencias bajas (menos de unos pocos GHz), no habrá una diafonía capacitiva apreciable entre las capas adyacentes con pistas ortogonales. A altas frecuencias en las placas de RF (varias decenas de GHz), las resonancias de cavidad en la malla de fibra y entre las estructuras conductoras sin conexión a tierra, crearán fuertes resonancias electromagnéticas a frecuencias concretas. Esto puede inducir una fuerte diafonía entre las capas de señal incluso si las pistas de cada capa están enrutadas ortogonalmente.

La mejor opción a cualquier frecuencia es la de, simplemente, separar las capas de señal por capas planas. Esto se cumple particularmente con las PCB modernas, que operan a altas tasas/frecuencias de flanco debido sencillamente a las familias lógicas utilizadas en los circuitos integrados (CI) modernos. Aunque creas que puede irte bien utilizando el enrutamiento ortogonal de pistas, es mejor que ejecutes una simulación básica de diafonía con pistas ortogonales y compruebes si la diafonía sobrepasa tu margen de ruido. También has de asegurarte de planificar cuidadosamente la ruta de retorno, ya que se trata de uno de los problemas principales presentados en el enrutamiento ortogonal.

Vías de alivio térmico

Este es uno de los clásicos debates del tipo "siempre/nunca". Un diseñador puede decirte que nunca se usan las vías de alivio térmico y que su equipo nunca ha tenido problemas de soldadura o montaje. En cambio, otro diseñador puede defender a capa y espada que las vías de alivio térmico siempre deben usarse en todas las conexiones planas. Entonces, ¿quién está en lo cierto?

Ambas partes tienen razón en diferentes situaciones. Si vas a soldar a mano, podrías aumentar la temperatura del hierro para compensar la disipación del calor en una capa plana. Por el contrario, si la empresa de montaje que has contratado va a utilizar la soldadura por ola, entonces necesitarás vías de alivio térmico para evitar el desplazamiento de los componentes, el enfriamiento de las soldaduras y la lapidación (tombstoning). En mi opinión, es mejor curarse en salud y emplear vías térmicas en cualquiera de las situaciones.

Enrutamiento en ángulo recto

Probablemente esta sea la única «regla de oro» que todo el mundo odia visceralmente. Aún a día de hoy, sigo encontrándome con diseñadores que afirman que las pistas en ángulo recto no deben usarse bajo ningún concepto.

Entre otros argumentos en contra, defienden algo tan absurdo como que los electrones no pueden hacer un giro de 90 grados en la esquina de una pista, pero esos mismos diseñadores ignoran los giros de 90 grados de las vías.

Otros de los motivos son prácticos, pues resaltan que una pista más corta se puede enrutar con dos giros de 45 grados en lugar de dos giros de 90 grados. Otras explicaciones de esta regla indican, que el exterior de todos los giros de 90 grados, debe estar biselado. También existe el problema de la retención de ácido, aunque esto no supone una gran preocupación gracias a los decapadores alcalinos modernos.

A menos que estés trabajando a 50 GHz o más (frecuencia que actualmente solo se usa en radares mmWave y la comunidad 5G), no tendrás que preocuparte por las pistas en ángulo recto. De hecho, puedes enrutar en el ángulo que quieras siempre que mantengas un buen control de la impedancia a lo largo de toda la interconexión. Este proceso resulta sumamente fácil al usar herramientas de enrutamiento de PCB que lleven integrado un solucionador de campos electromagnéticos.

La regla de «3W»

En realidad, esta regla de diseño de PCB hace referencia a tres reglas. La primera versión de la regla de 3W establece que el espacio entre las pistas adyacentes debe ser de al menos 3 veces el ancho de estas. El objetivo es minimizar el flujo magnético entre las pistas. Es más, la lógica nos dicta que minimizar el flujo magnético entre las pistas reduce la diafonía inductiva.

Las versiones de esta regla sobre las que he leído parecen ignorar el hecho de que la fuerza de la diafonía inductiva es proporcional a la inductancia de bucle de las pistas perturbadora y perturbada, que es proporcional al área delimitada entre ambas pistas. Si la inductancia de bucle y el área delimitada por cada una de las pistas se hacen más pequeñas, las pistas podrían acabar estando distanciadas por menos de 3W. Al igual que sucede con el enrutamiento ortogonal, debes ejecutar una simulación básica de diafonía cuando pretendas modificar el espaciado entre las pistas.

Otra versión de la regla de 3W aparece en el enrutamiento de dientes de sierra para la adaptación de longitudes. Esta regla impone un límite superior en el tamaño de la sección de la sierra, que está destinado a minimizar las discontinuidades de impedancia en estas estructuras con longitudes equivalentes. Puedes encontrar más información sobre esta versión de la regla de 3W en este artículo reciente.

Por último, la tercera versión de esta regla tiene que ver con la separación entre los microstrips y el vertido de cobre cercano, o bien entre las líneas de banda (striplines) y el vertido de cobre cercano. Esta regla de separación establece que el espacio entre la pista y el vertido de cobre debe ser de al menos 3 veces el ancho de la pista, para evitar que el vertido cercano modifique la impedancia del cobre.

Como expliqué en un artículo reciente y demostré con algunas simulaciones sencillas, esta regla es excesivamente conservadora. Aunque seguir la regla no perjudicará necesariamente a tu diseño ni causará ningún problema de integridad de la señal, puedes incumplir esta regla en cierta medida. El grado exacto en que se puede incumplir esta regla depende de la distancia entre el ancho de la pista y el grosor de la capa, así como de la constante dieléctrica del sustrato. Échale un vistazo al artículo del enlace para ver cómo se puede calcular esta distancia. Aunque, si no te apetece calcular el espacio mínimo que puedes dejar entre tus striplines o microstrips, siempre puedes seguir la regla de 3W para ir sobre seguro.

La regla de «20H»

Esta regla de diseño de PCB define la distancia en la que debe extenderse un plano de tierra debajo de un plano de potencia en una PCB. Ante todo, en las PCB modernas de alta velocidad, debes colocar un plano de potencia adyacente al plano de tierra para garantizar una capacidad suficiente entre los planos y reducir la ondas de bus de potencia.

Algunos estudios experimentales sobre este tema presentan resultados mixtos. Según un estudio, las emisiones de RF de campos periféricos de menos de 300 MHz aproximadamente se pueden reducir en unos 5 dBμV/m siguiendo la regla de 20H. En lo que respecta a frecuencias más altas que corresponden a resonancias forzadas en la estructura de guía de ondas del plano de potencia/tierra, los resultados oscilan bastante. Las emisiones de RF se suprimen en algunas frecuencias, pero aumentan en otras, independientemente de si se sigue o no la regla de 20H. En efecto, seguir la regla de 20H simplemente cambia las frecuencias de resonancia, todas ellas en el rango de GHz.

El veredicto es el siguiente: si los anchos de banda de tu señal están por debajo del rango de los GHz, entonces puedes usar la regla de 20H. De otra forma, no parece haber un beneficio universal; que la regla de 20H suprima o no las emisiones de RF de los campos periféricos depende del ancho de banda de la señal.

Más información sobre las normas de diseño de PCB

Échale un vistazo a estos otros artículos sobre las reglas de diseño de PCB:

• Las 5 directrices principales de diseño de PCB que todo diseñador debe conocer
• Los 7 conceptos erróneos más comunes sobre el diseño de PCB
• El peor consejo que hemos escuchado sobre el diseño de PCB

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