Conceptos básicos del proceso diseño de PCB para nuevos diseñadores

Pongámonos en situación: acabas de instalar tu nuevo programa de diseño de PCB y estás listo para lanzarte a diseñar tu primera PCB. ¿Qué debes hacer para empezar? ¿Cómo vas a diseñar tu primera PCB? La mayoría de los ingenieros son excelentes trabajando con esquemáticos y seleccionando los componentes principales, pero este proceso puede resultar abrumador para alguien que sea nuevo en el diseño de PCB. El software de diseño de PCB contiene muchas herramientas y sigue un flujo de trabajo determinado, pero un principiante puede avanzar en este proceso conociendo algunos aspectos básicos del diseño de PCB.

En este artículo, presentaré algunos conceptos básicos de diseño que todo diseñador novel debe seguir para garantizar que su proceso de diseño de PCB sea exitoso. Algunos de estos puntos pueden desafiar la perspectiva más convencional de cómo se construyen las placas de circuitos, pero su objetivo es ayudar a equilibrar la señalización de bajo ruido y facilitar la fabricación y el diseño de la placa de circuito impreso.

Conceptos básicos para iniciar un nuevo diseño de PCB

El proceso de diseño de PCB sigue un flujo de trabajo estándar y es importante que cualquier nuevo diseñador entienda cómo se desarrolla. El flujo de trabajo estándar en el diseño de PCB se centra en coger un diseño de ingeniería, convertirlo en un diseño físico de PCB y, una vez finalizado, prepararlo para la fabricación.

Entender el proceso de trabajo del diseño de PCB

Es mejor tomarse un tiempo para familiarizarse brevemente con el flujo de trabajo estándar antes de continuar. El proceso de trabajo de diseño de una PCB sigue la siguiente lista de pasos:

1. Seleccionar los componentes básicos, procurando que estén disponibles y puedan obtenerse de los principales distribuidores.
2. Crear y revisar los esquemáticos en función de los requisitos de ingeniería.
3. Crear una PCB vacía, construir el stackup y elaborar las reglas de diseño.
4. Importar los datos de los componentes de los esquemáticos al nuevo diseño de PCB.
5. Colocar los componentes y revisar su colocación para garantizar que se cumplen los requisitos de ingeniería.
6. Enrutar las pistas y las conexiones entre los componentes
7. Limpiar el diseño de PCB y llevar a cabo una revisión final del mismo.
8. Preparar los archivos de salida del diseño y enviarlos a fabricación.

Una vez que tengas una visión de alto nivel del proceso de diseño, lee el enlace siguiente para ver cómo se desarrolla el flujo de trabajo del diseño de PCB y el conjunto estándar de tareas que todo diseñador debe efectuar para completar una nueva placa de circuito impreso.

• Más información sobre el flujo de trabajo estándar para el diseño de PCB

Los esquemáticos y el diseño deben estar sincronizados

Si acabas de empezar tu trayectoria como diseñador de placas de circuito impreso (PCB), probablemente serás tú quien cree los esquemáticos del dispositivo. Cada vez que hagas un cambio en el diseño, tendrás que sincronizar esos cambios en el esquemático de la disposición. En particular, esto incluye cualquiera de los siguientes cambios de diseño:

• Añadir, eliminar o intercambiar componentes.
• Añadir, eliminar o cambiar redes.
• Agrupar redes en objetos de clase de red.
• Cambiar la información de los parámetros de los componentes (número de pieza, información del proveedor, etc.).
• Cualquier otra regla o directiva eléctrica aplicada a los objetos de tus esquemáticos.

Una vez realizados los cambios, deben aplicarse al diseño de la PCB. Esto se hace mediante una función de importación en tu software de diseño de PCB. Esto garantiza que todo el diseño esté sincronizado y que el motor de reglas de diseño del software lea correctamente los datos del diseño de la placa de circuito impreso.

Más información sobre el proceso de fabricación de PCB

Cualquier diseño de PCB que pretendas convertir en un producto físico debe poder fabricarse a gran escala. El software de ECAD te permitirá implementar cualquier característica de diseño que puedas imaginar para tu PCB. Sin embargo, tus decisiones de diseño deben poder ser fabricadas en procesos estándar, por lo que un diseñador debe estar familiarizado con los límites de lo que se puede fabricar en una PCB.

Esto significa que todo diseñador de PCB debe dedicar tiempo a aprender los fundamentos de la fabricación de placas de circuito impreso a fin de asegurarse de que sus diseños sean totalmente fabricables. Esto guarda relación con un importante conjunto de prácticas que deben incorporarse al proceso de diseño, conocido como diseño para la fabricación (DFM, por sus siglas en inglés). Tómate un tiempo para conocer algunos errores básicos de diseño de la PCB que pueden hacer descarrilar la fabricación de la placa y provocar que te devuelvan la placa para rediseñarla antes de que llegue a la producción.

• Más información sobre el diseño para la fabricación

Las reglas de diseño son la clave del éxito

Una vez que conozcas el proceso de fabricación de la placa de PCB, así como algunas de las capacidades estándar de los fabricantes de PCB, te resultará mucho más fácil entender algunos de los límites que imponen las normas de diseño. La mayoría de los problemas de DFM están relacionados con el tamaño de los elementos de cobre de la PCB o con el clearance entre los distintos elementos. Las reglas de diseño predeterminadas programadas en el software de diseño de PCB suelen ser un poco conservadoras y debes conocer los límites hasta los que puedes infringirlas.

Por ejemplo, cojamos como ejemplo el footprint siguiente. Este footprint tiene un espacio entre almohadillas de unos 9 mils, pero provoca un error de regla de diseño (mostrado en verde) una vez que el componente se transfiere al diseño de la PCB. Puedes infringir tranquilamente esta regla de diseño y fijar un límite más bajo, ya que la mayoría de los fabricantes trabajan con espacios mínimos de unos 5 mils. Comprueba los clearances en la hoja de capacidades del fabricante antes de empezar a alterar las reglas de diseño.

Usa un plano de tierra

Toda PCB necesitará tener una conexión a tierra clara para que todos los componentes del diseño formen circuitos completos y para que la energía eléctrica se suministre a todo el diseño. La conexión a tierra puede ser a una batería en la placa o a una fuente de alimentación externa. Independientemente de cómo se haga, la conexión a tierra deberá llegar a todos los demás componentes de la PCB. La forma más fácil de hacerlo, con diferencia, es con un plano de tierra, en el que una de las capas de la PCB se utiliza como tierra con una gran lámina de cobre cubriendo toda la capa.

Hoy en día, me sigue sorprendiendo el número de nuevos diseñadores que dudan en colocar un plano de tierra en su stackup de PCB. Muchos problemas básicos de ruido que afectan a las señales digitales y analógicas se pueden atribuir a la ausencia de un plano de tierra en el dispositivo. En las PCB modernas, utilizar un plano de tierra sólido en todo el dispositivo es una directriz estándar. Hay algunas excepciones en las que son apropiados los planos divididos o una tierra en estrella en una PCB, pero esos enfoques no son adecuados para la gran mayoría de los diseños digitales y analógicos.

• Más información sobre la conexión a tierra en tu PCB (en inglés)

Completa la colocación de componentes de la PCB antes de enrutar

En cuanto transfieras los datos del esquemático a un nuevo diseño de circuito impreso, deberás empezar con la colocación de los componentes alrededor de la placa de PCB. En este punto en el proceso del diseño de la PCB, tu objetivo es colocar los componentes para garantizar que el diseño se pueda resolver, es decir, que se puede enrutar fácilmente. Así pues, es mejor evitar enrutar nada hasta que se hayan colocado los componentes y se haya aprobado su disposición. Si enrutas antes de colocar todos los componentes, resultará inevitable tener que modificar el enrutamiento. Antes de enrutar nada, procura que la disposición llegue al punto en que se minimicen los cruces de redes.

Una vez colocado y finalizado todo, habrá llegado el momento de empezar a enrutar la PCB. Si has seguido el consejo anterior y has revisado las reglas de diseño antes de empezar a trabajar en el diseño de la PCB, tendrás más probabilidades de enrutar el diseño correctamente. Cuando utilizamos la palabra "correctamente" para describir el enrutamiento, generalmente nos referimos a tres aspectos:

• Minimizar la necesidad de nuevas capas de señales para enrutar todas las señales.
• Minimizar transiciones entre capas cuando sea posible.
• Minimizar el ruido, a lo que contribuye el uso de un plano de tierra en el stackup de la PCB.
• Tratar de mantener cortas y directas tantas rutas como sea posible.

Esta lista de directrices no es exhaustiva, pero es aplicable a las pistas que transportarán la mayoría de las señales que vas a enrutar en tu PCB. Los diseños de alta velocidad, baja velocidad, analógicos de baja frecuencia y de RF hacen uso de estos consejos de enrutamiento de PCB, así que acostúmbrate a aplicar estas mismas prácticas en tu diseño de PCB.

• Más información sobre el enrutamiento en el diseño de tus PCB

No lo olvides: tu objetivo es la fabricación

Una vez que todo esté enrutado y listo en el diseño de la placa, tu trabajo aún no habrá terminado. Como diseñador, también te corresponde crear los archivos de fabricación a partir del diseño de la PCB. El software de diseño de PCB incluye herramientas para crear los archivos de salida automáticamente. Incluso después de preparar dichos archivos, valdrá la pena revisarlos para asegurarte de que no has aplicado mal ninguno de los ajustes del exportador de archivos de salida, así que tómate tu tiempo para revisarlo todo antes de enviarlo al fabricante.

• Más información sobre los archivos de salida del diseño y sobre la fabricación

¿Qué ocurre después?

¡Felicidades! Has llegado al final del proceso de diseño y tu placa de circuito impreso está en fabricación. A continuación, el fabricante revisará el diseño para asegurarse de que se ajuste a sus capacidades de procesamiento. Si supera la revisión final de DFM, tu placa pasará a producción y montaje.

Una vez que conozcas los fundamentos del diseño de PCB, podrás empezar a utilizar el conjunto completo de funciones de diseño y disposición de PCB de Altium Designer®. Cuando hayas terminado el diseño y estés preparado para enviar los archivos al fabricante, la plataforma Altium 365™ te facilitará la colaboración y el uso compartido de los proyectos. También podrás llevar a cabo una revisión exhaustiva del diseño para asegurarte de que tu nueva placa puede fabricarse con un alto rendimiento y una gran calidad.

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Echa un vistazo a este vídeo relacionado sobre la selección de objetos de PCB y encuentra más consejos y guías en el canal de YouTube de Altium Academy