Diseñar un patrón de tierra para una PCB electrónica según la norma IPC-7351

Es importante que sepas que tus componentes no se pueden fijar a la PCB electrónica sin unos patrones de tierra. Por tanto, es tarea del diseñador crear un patrón de tierra compatible con los componentes que se vayan a emplear. Una pregunta muy común que se hacen los nuevos diseñadores es: ¿cuáles deben ser las dimensiones del pad? Técnicamente las únicas limitaciones de un patrón de tierra de una PCB electrónica son las impuestas por los requisitos de diseño específicos de fabricación (DFM). No obstante, muchos diseñadores optan por patrones de tierra diseñados según la norma IPC-7351. Esta establece los requisitos que permiten trazar las dimensiones de los pads para los dispositivos de montaje superficial (SMD) en las huellas de las PCB.

No pasa nada si no has diseñado los pads de acuerdo con la norma IPC-7351, pero resulta conveniente que sigas las normas sobre los patrones de tierra. Estas normas están pensadas para acomodar el espaciado de los componentes y las tolerancias en las dimensiones de estos, su aplicación permite esquivar fallos comunes en las soldaduras de los SMD. Un ejemplo de ello sería la aparición de puentes durante el montaje. A continuación, te explicamos lo que debes saber sobre el diseño de un patrón de tierra de una PCB para cumplir con la norma IPC-7351 y de qué manera este puede ayudarte con tus herramientas de diseño.

¿Qué dice la norma IPC-7351 en la creación de un patrón de tierra de una PCB electrónica?

La norma IPC-7351 especifica algunas dimensiones importantes en la >creación de un patrón de tierra de la PCB para el footprint de un circuito integrado de contorno pequeño (SOIC) que son: el ancho del pad (X), el espaciado de este (G) y sus dimensiones de extremo a extremo (Z). La siguiente imagen muestra dónde encajan estas tres cantidades en el footprint de un componente. Aparte de estos tres parámetros, existen otros que introduciremos más adelante. De momento, basta con considerar que tenemos que calcular X, G y Z para el patrón de tierra de la PCB. Los demás valores que necesitamos para sus dimensiones pueden determinarse a partir de otras entradas.

En este caso el patrón de tierra debe diseñarse para acomodar el filete de soldadura a cada borde del conector cuantificado con los tres valores J. El parámetro S se mide entre los bordes exteriores del componente y el L se mide desde los extremos de los conectores. W es simplemente el ancho de la parte del conductor que hará contacto con el pad. Los subíndices mín y máx se refieren a la dimensión mínima o máxima respectivamente, lo que significa que deben incluirse las tolerancias dimensionales. Los valores C son las tolerancias de cada dimensión. Todo esto se resume en el siguiente cuadro.

Revisa en este cuadro qué significa cada dimensión, a qué es análogo y su tolerancia.

Por último, F es la tolerancia de fabricación. Una buena máquina de recoger y colocar tendrá tolerancias de fabricación 3-sigma de 0,01 mm (aproximadamente 0,4 mil). Este valor es comparable con cada valor de C, pero es mucho más pequeño que P. Para una aproximación es aceptable para componentes P de unos pocos milímetros o más. Puedes ignorar F y los tres valores de C.

Ten en cuenta que la norma IPC-7351 pretende proporcionar una descripción general de los patrones de tierra de los SMD. Sin embargo, hay otras normas de la serie IPC-735 que establecen requisitos más específicos para otro tipo de componentes. Algunos ejemplos son los conectores en ala de gaviota de dos y cuatro lados, los conectores J y los componentes BGA, entre otros. Puedes echar un vistazo a este documento (la última página) para ver una lista de las normas de la categoría IPC-735 para diferentes tipos de componentes. 

La norma IPC-7351 y los componentes de la plataforma CAD para crear el patrón de tierra de tu PCB electrónica

La norma IPC-7351 ha creado lo que ella denomina un formato One World CAD Library para la información de los componentes utilizados en las plataformas CAD. Un aspecto crítico de la estandarización y la ayuda a la automatización de la fabricación y el montaje de las PCB es la necesidad de conseguir cierta uniformidad en los footprints de las mismas. La norma IPC-7351 de patrones de tierra para las PCB define una orientación fija del componente cero, de modo que todas las imágenes CAD tienen la misma rotación.

El footprint de tu componente es algo más que un dibujo en un papel. Este incluye conjuntamente en tu software de CAD el patrón de tierra de la PCB, las marcas de serigrafía, cualquier abertura de la máscara de soldadura y el contorno del componente definido en la capa mecánica. Las herramientas CAD que decidas utilizar deben permitirte crear todos estos elementos esenciales en el footprint de la PCB, así como el patrón de tierra que desees.

Conviene recordar que las ecuaciones del patrón de tierra de la PCB indicadas anteriormente son meras sugerencias. Únicamente definen las dimensiones mínimas o máximas del patrón de tierra. El tamaño, la densidad o el tamaño de los pads también dependerán de los requisitos de DFM y de las posibilidades de montaje del propio fabricante. Aunque no es habitual que ocurra, si el fabricante con el que trabajas establece un tamaño de pad que no se ajusta a los límites definidos en la ecuación anterior, conviene que adoptes dichas recomendaciones siempre que no infrinjan alguna otra norma o causen otro problema común de montaje de los SMD.

Un generador de footprints de componentes para tu software de plataforma CAD

Si tienes acceso en tu software de plataforma CAD a un generador de símbolos y footprints capaz de cumplir con la IPC, puedes eliminar los cálculos redundantes a la hora de crear nuevos componentes. Tus herramientas CAD deben incluir aquellos que te ayuden en las siguientes tareas:

• Símbolos esquemáticos: puedes echar un vistazo a este artículo de Mark Harris si necesitas algo más de orientación para crear rápidamente símbolos esquemáticos con un elevado número de pines.
• Footprints conformes con la IPC: un generador de footprints de componentes es un gran punto de partida para eliminar los cálculos redundantes relacionados con su creación. Puedes echar un vistazo a este artículo para descubrir cómo puedes utilizar el generador de footprints de componentes de Altium Designer.

Cuando estés preparado para diseñar un patrón de tierra para un componente en una PCB, prueba a trabajar con el generador de footprints de componentes de Altium Designer^®. Esta herramienta de generación te ayudará a crear rápidamente footprints de componentes y patrones de tierra que cumplan con la norma IPC-7351. También tendrás acceso a un completo conjunto de herramientas CAD en 2D y 3D para crear tus disposiciones y codiseños MCAD.

También puedes descargarte una versión de prueba gratuita de Altium Designer y descubrir cómo funcionan las mejores herramientas de diseño, simulación y planificación de la producción del sector. Puedes hablar hoy mismo con un experto de Altium para obtener más información.