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Enrutamiento y trazado de pistas en una PCB

Zachariah Peterson
|  Creado: June 4, 2021  |  Actualizado: July 16, 2023
Enrutamiento y trazado de pistas en una PCB

El trazado de pistas y vías en el diseño de una PCB a menudo se considera una tarea simple. Una vez importada la placa y dispuestos los componentes en ella, parece relativamente sencillo empezar a conectar los componentes con cobre. Aunque puede que esto fuera cierto en los tiempos de los componentes TTL DIP de baja velocidad en placas sencillas, los requisitos de diseño actuales son mucho más complejos. Las pistas en una PCB pueden tener unos requisitos de diseño muy específicos, cuyo propósito es garantizar la integridad de la señal durante el enrutamiento.

Si bien las pistas pueden tener requisitos específicos de enrutamiento de PCB, las funcionalidades avanzadas de trazado de pistas de PCB actuales te ayudarán a configurar y a seguir las reglas de diseño para tus pistas. Las técnicas de enrutado importantes que usarás para tu placa dependerán del estándar de transmisión de señales con el que estás trabajando y la topología de trazado de PCB requerida. Si esta es la primera vez que diseñas una PCB y estás listo para la fase del trazado de pistas, no te preocupes, te indicaremos cómo trazar las pistas en una placa de circuito impreso y cómo determinar los requisitos de enrutamiento que debes seguir para tu placa de PCB. Además te aconsejamos leer esta guía de cómo hacer una placa de PCB con Altium Designer en 10 sencillos pasos. 

Empezar con el trazado de pistas de tu PCB

¿Qué es el trazado de PCB? Todas las PCB deben tener piezas de cobre que conectan a los componentes en la capa superficial o en las capas internas, lo que se conoce como pistas o trazas. Lo que considera un dispositivo "sencillo" depende de varios factores, que determinan el diseño de pistas adecuado que utilizar en tu PCB. Algunos de los requisitos de diseño de trazado de pistas más importantes que encontrarás en los estándares de transmisión de señales, tanto de alta como de baja velocidad, son:

  • Capacidad de transmisión de corriente de las pistas, puesto que las placas de alta corriente pueden requerir pistas de gran tamaño, o incluso polígonos.
  • El grosor de las pistas que se utilizarán en la placa, que garantizará la capacidad de fabricación y afectará a la diafonía.
  • Cualquier señal de impedancia controlada que requiera de un ancho específico que deba determinarse según el apilamiento de capas (stackup) de la PCB
  • Topología del entrutamiento de la PCB, que determinará cómo se ramifican las pistas para conectarse a múltiples componentes.
  • Las pérdidas totales a lo largo de una pista o traza, que determinan la longitud máxima de pista permitida.
  • Desviación permitida en buses paralelos y directrices de enrutamiento de pares diferenciales; los protocolos con relojes sincronizados con la alimentación (SPI o I2C) y los buses en paralelo tienen especificaciones de desviación máxima.

Como diseñador, tu trabajo consiste en encontrar un equilibrio en todas estas áreas y determinar cuáles de los puntos de la lista anterior son los más importantes para las diversas redes. Por ejemplo, los diseños de alta velocidad dependen de la impedancia controlada con pautas de enrutamiento de pares diferenciales, mientras que los diseños de CC de alta corriente necesitan tener pistas anchas que no necesariamente tengan una impedancia específica.

Para empezar, veamos algunos de los requisitos de enrutamiento de pistas de PCB para las placas más básicas y, a continuación, pasaremos a los diseños más avanzados.

Trazado de pistas sencillo para PCB

Si tu diseño no está funcionando a alta velocidad, no es lo suficientemente denso como para crear problemas de diafonía, y tus pistas solo necesitan transportar un bajo nivel de corriente, entonces típicamente tendrás completa libertad para seleccionar un ancho de pista que pueda ajustarse con facilidad a los pines y conductores de tus componentes. En estos diseños, se pueden utilizar pistas cuyo ancho oscile entre 5 y 15 mils, ya que serán lo suficientemente pequeñas como para ser enrutadas directamente a los pads de la mayoría de los componentes. A continuación, se muestra un ejemplo básico con un amplificador operacional, en el que las pistas están enrutadas entre un CI de baja velocidad, algunas resistencias y capacitores.

Cómo enrutar una PCB

Los diseños más sencillos, como este, no suelen estar afectados por la impedancia, las topologías de enrutamiento estándar o altos niveles de corriente. Sin embargo, muy pocos diseños modernos son lo suficientemente sencillos como para no requerir algún nivel de diseño para el trazado de pistas o determinación de reglas de enrutamiento.

Reglas de trazado de pistas para PCB modernas

Las placas actuales, incluso las que solo utilizan una MCU sencilla y etapas de baja potencia, requieren cierto nivel de diseño de pistas y de reglas de enrutamiento para garantizar la integridad de la señal. Los diseñadores deben determinar los requisitos de geometría de las pistas en sus conexiones para garantizar la fiabilidad e integridad de la señal.

  1. Determina los requisitos de corriente en una pista determinada; el trazado de pistas en circuitos de alta potencia en una PCB puede transportar corrientes elevadas. 
  2. Si la corriente es muy baja (menos de 1A), determina si es necesario controlar la impedancia consultando las fichas técnicas de los componentes o el estándar de transmisión de señales.
  3. Calcula el ancho de pistas necesario para alcanzar el objetivo de impedancia si es necesario implementar un control de impedancia. Además, debes calcular la separación necesaria entre pistas si es necesario el uso de pares diferenciales.

Si se necesita controlar la impedancia, es probable que se implemente una topología de trazado de pistas de la PCB con salidas simples o pares diferenciales. Asegúrate de comprobar los estándares de transmisión de señales para determinar los requisitos de enrutamiento, que incluirán aspectos como las pérdidas admisibles (que determinan la longitud total), los requisitos de impedancia y el desajuste de longitud permitido en pares diferenciales o en un bus paralelo.

Una vez determinados los requisitos de enrutamiento en tu placa, puedes configurar las reglas de diseño para redes específicas de tu diseño. Esto implica establecer el ancho mínimo o máximo para las pistas en tus reglas de diseño, y las herramientas de trazado de pistas utilizarán estas especificaciones para establecer el ancho de la pista a medida que vayas determinando sus trayectorias.

Impedancia y topología de enrutamiento

Cuando necesites controlar la impedancia en tu diseño de PCB, deberás determinar la impedancia utilizando uno de varios métodos. Existen fórmulas que puedes utilizar para determinar la impedancia de tu diseño, o puedes utilizar aplicaciones más especializadas para calcular la impedancia que necesitas en tu diseño. La impedancia de salida simple y de pares diferenciales tendrá una geometría definida necesaria para garantizar que se cumplan los objetivos de impedancia.

La forma más rápida de determinar la impedancia es con un software de diseño de PCB que incluya una calculadora integrada. No todas las aplicaciones de diseño de PCB incluyen este tipo de utilidad, y las que lo incluye producen resultados con diferentes niveles de precisión. Las mejores aplicaciones de diseño de PCB incluirán una calculadora de campos electromagnéticos que calculará automáticamente la geometría requerida para las pistas. Estas herramientas tomarán la información sobre la constante dieléctrica y la rugosidad del cobre de la placa de circuito impreso y la utilizarán para calcular el ancho de la pista y la distancia entre pares diferenciales necesaria para lograr la impedancia deseada.

Cálculo de impedancias en un PCB
El Gestor de Apilamiento de Capas de Altium Designer incluye una calculadora de campos electromagnéticos de Simberian que ofrece cálculos de impedancia altamente precisos a la frecuencia deseada.

Las topologías de enrutamiento de pistas definen cómo se enrutan las pistas entre las entradas y salidas de componentes, así como el modo en que las pistas se ramifican entre sí para llegar a varios componentes. Por ejemplo, el enrutamiento DDR utililiza una topología Fly-By, en la que un único bus se ramifica para llegar a varios componentes del diseño. En otro ejemplo, las SPI utilizan una topología de bus similar, pero con una terminación aplicada a los puntos de carga del bus. Otros componentes pueden utilizar topología de punto a punto para llegar a varios componentes, algo que es común cuando un diseño requiere que un único componente se comunique con varias cargas a través de una única interfaz de S/E. Asegúrate de conocer bien la topología de enrutamiento de pistas que necesitarás en los estándares de señalización, así como si estas pistas requieren de un control de impedancia.

Trazado de pistas en una PCB

Las pistas en el diseño de tu PCB se trazan con tan solo señalar y hacer clic en ubicaciones en la placa. En el camino, las pistas de cobre estarán fijadas en el punto deseado donde el usuario hace clic en el ratón, abarcando eventualmente la extensión del diseño hasta llegar a la ubicación requerida. Las herramientas de trazado de pistas en tu aplicación de edición de PCB pueden salvar esquinas automáticamente (típicamente a un ángulo de 45º) a medida que vas trazando las pistas en tu diseño, y pueden colocar las vías a medida que las pistas se mueven entre los componentes de la PCB.

Antes de empezar a trazar las pistas de tu PCB, dedica algo de tiempo a desarrollar una estrategia para las distintas rutas con el fin de asegurarse de no hacer un uso excesivo de las vías o de no tener que añadir capas adicionales para resolver la placa. Tu estrategia de trazado de pistas de PCB dependerá del diseño de tu PCB; si se cruzan demasiadas redes en el diseño de la PCB, tendrás más dificultades para trazar las pistas sin excesivas transiciones de capas. A veces, tendrás que empezar por los trazados más sencillos, ya que estos te ayudarán a determinar qué pistas llevarán más tiempo y esfuerzo para el enrutamiento en la PCB.

Vías en el enrutado del PCB
Algunos trazados pueden resultar muy complejos, como los de esta BGA. Esta pista atraviesa dos vías y termina en la capa superficial.

Algunas directrices importantes para en trazado de pistas de la PCB que debes tener en cuenta incluyen:

  • Intentar mantener en la misma capa las trazas de impedancia controlada para una interfaz o protocolo de señalización determinados.
  • Minimizar las transiciones mediante vías en protocolos de alta velocidad y pistas de RF.
  • Procurar no trazar pistas sobre espacios entre planos y hacer un seguimiento de la trayectoria de retorno en tu PCB; la mejor forma de lograr esto es utilizar regiones de tierra uniformes.
  • Procurar que las pistas sean cortas y directas, no las hagas más largas de lo necesario.
  • Para el enrutamiento de alta corriente, no tengas miedo de utilizar polígonos para construir conductores más grandes; estos se pueden utilizar para crear conductores de cualquier forma.

La integridad de la señal es un área que está íntimamente relacionada con el diseño del apilado de capas (stackup) de la PCB y el trazado de pistas. La disposición de las capas de plano/GND(tierra)/PWR(alimentación) con respecto a las capas de señal y enrutamiento es uno de los principales factores determinantes de la integridad de la señal, y el trazado de pistas sobre secciones completas de GND es la mejor forma de garantizar que el diseño mantenga la integridad de la señal y la inmunidad a EMI (diafonía, ruido de RF externo, ruido de la fuente de alimentación, etc.). Estas sencilla directrices y las reglas de enrutamiento o trazado de pistas mencionadas anteriormente te ayudarán a prevenir y/o reducir muchos problemas de integridad de la señal y a garantizar que tu placa sea completamente funcional.

Las herramientas de trazado de pistas más avanzadas pueden ayudarte a mantenerte alineado con las directrices básicas de trazado de pistas de PCB son interactivas. En otras palabras, estas herramientas son semiautomáticas, lo que permite definir rutas para un grupo de señales, y las herramientas de enrutamiento colocarán los trazados de pistas de forma que estos obedezcan automáticamente tus reglas de diseño. En este tipo de enrutado de pistas, las reglas de diseño de las redes y grupos de redes se comprueban automáticamente al crear el diseño de PCB. Muchos programas de diseño gratuitos y de código abierto te obligan a hacerlo todo manualmente, pero los programas avanzados de diseño de PCB, como Altium Designer, pueden ayudarte a mantener alta tu productividad a medida que trabajas para completar el diseño del enrutamiento y trazado de pistas de tu PCB.

Directrices del enrutamiento en una PCB
Las características interactivas de trazado de pistas de Altium Designer ofrecen un trazado de pistas inteligente y semiautomático que obedece a tus reglas diseño y a los requisitos básicos de trazado de pistas.

Las técnicas de enrutamiento de PCB son mucho más fáciles cuando se utiliza el conjunto completo de herramientas de diseño de PCB que ofrece Altium Designer®. El motor de reglas de diseño integrado en Altium Designer comprueba automáticamente tu enrutamiento a medida que se van trazando las pistas, permitiéndote detectar y eliminar los errores que puedan surgir antes de que termines la placa. Además, todos los usuarios de Altium Designer también tienen acceso a un espacio de trabajo exclusivo en la plataforma basada en la nube Altium 365, donde los proyectos, datos de componentes, datos de fabricación y cualquier otra documentación del proyecto se pueden almacenar y compartir con los colaboradores.

Esto es solo una muestra de todo lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Empieza hoy mismo tu prueba gratis de Altium Designer + Altium 365.

Sobre el autor / Sobre la autora

Sobre el autor / Sobre la autora

Zachariah Peterson tiene una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Actualmente brinda servicios de investigación, diseño y marketing a empresas de la industria electrónica. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland y realizó investigaciones sobre la teoría, los materiales y la estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas de láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sensores ambientales y estocástica. Su trabajo ha sido publicado en más de una docena de revistas revisadas por pares y actas de congresos, y ha escrito más de 1000 blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Es miembro de IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society y Printed Circuit Engineering Association (PCEA), y anteriormente se desempeñó en el Comité Asesor Técnico de Computación Cuántica de INCITS.

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