Enrutamiento y trazado de pistas en una PCB

Zachariah Peterson
|  Creado: June 4, 2021  |  Actualizado: October 31, 2021
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. Después de importar la placa y determinar la posición de los componentes sobre esta, parecería algo sencillo el comenzar a conectar los componentes con el cobre. Si bien esto puede haber sido cierto en la época de los componentes TTL DIP de baja velocidad en placas sencillas, los requisitos de diseño de hoy en día 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, las funcionalidades avanzadas de trazado de pistas de hoy en día te ayudarán a configurar y a seguir las reglas de diseño para tus pistas. Las técnicas importantes de trazado de pistas que usarás para tu placa dependen del estándar de transmisión de señales con el que estás trabajando y la topología de trazado 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 tu PCB y cómo determinar los requisitos de enrutamiento que debes seguir para tu PCB.

Comenzar con el trazado de pistas de tu PCB

Todas las PCB deben tener piezas de cobre que conectan a los componentes en la capa superficial o en las capas internas, lo cual se conoce como "pistas". Lo que califica a un dispositivo como "simple" depende de diversos factores, que determinan el diseño apropiado para las pistas a usar en tu PCB. Algunos de los requisitos 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 a usar 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 trazado, que determinará cómo las pistas se ramifican para conectarse a múltiples componentes
  • Las pérdidas totales en una pista, que determinan la longitud máxima permisible para la línea
  • Sesgo (skew) permisible en buses paralelos y pares diferenciales; los protocolos con relojes sincronizados con la alimentación (SPI o I2C) y con buses en paralelo tienen especificaciones de sesgo máximo permisible.

Como diseñador, tu trabajo es hallar un equilibrio entre todas estas áreas y determinar cuáles de los puntos de la lista anterior son los más importantes para las diversas nets. Por ejemplo, los diseños de alta velocidad se basan en impedancia controlada con pares diferenciales, mientras que los diseños DC de alta corriente deben tener pistas amplias que no necesariamente tienen una impedancia específica.

Para comenzar, demos un vistazo a algunos de los requisitos de trazado de pistas para las placas más básicas, y después pasaremos a diseños más avanzados.

Trazado de pistas sencillo para PCB

ISi 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 terminales de tus componentes. En estos diseños, pueden usarse pistas cuyo ancho oscile entre 5 y 15 mils porque serán lo suficientemente pequeñas como para ser enrutadas directamente a los pads en la mayoría de los componentes. Abajo 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 un PCB

Los diseños más sencillos, como este, típicamente no están afectados por la impedancia, las topologías estándar de trazado de pistas 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 de hoy en día, incluso las que solo usan una MCU simple y etapas de baja potencia, requieren algún nivel de diseño de pistas y de reglas de trazado de pistas para garantizar la integridad de las señal. Los diseñadores deben determinar los requisitos para la 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 dada; el trazado de pistas en circuitos de alta potencia en una PCB puede tener un alto nivel de corriente.
  2. Si la corriente será muy baja (menos de 1A), determina si es necesario hacer un control de impedancia consultando las fichas técnicas de tu componente o tu estándar de transmisión de señales.
  3. Calcula el ancho de las pistas necesario para alcanzar tu objetivo de impedancia si hace falta implementar un control de impedancia. Además, debes calcular la separación necesaria entre pistas si es necesario el uso de pares diferenciales.

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

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

Impedancia y topología de trazado de pistas

Cuando necesites del control de impedancia en la disposición de tu PCB, deberás determinar la impedancia usando uno de varios métodos. Existen fórmulas que puedes usar para determinar la impedancia de tu diseño, o puedes usar 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 con las metas de impedancia.

La manera 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 diversos niveles de exactitud. Las mejores aplicaciones para diseño de PCB incluirán una calculadora de campos electromagnéticos que calculará automáticamente la geometría requerida para las pistas. Estas herramientas tomarán la información de la constante dieléctrica y rugosidad del cobre de tu PCB y la emplearán para calcular el ancho de la pista y la separación necesaria entre pares diferenciales 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 trazado de pistas definen el cómo se enrutan las pistas entre las entradas y salidas de componentes, y también el cómo se ramifican las pistas para alcanzar múltiples componentes. Por ejemplo, el enrutamiento para DDR emplea una topología Fly-By, en la que un bus único se ramifica para contactar a múltiples componentes en el diseño. Otro ejemplo: las SPI usan una topología similar para el bus, pero con una terminación aplicada a los puntos de carga del bus. Otros componentes pueden usar topología de punto a punto para contactar a múltiples componentes, algo que es común cuando un diseño solo requiere que un único componente se comunique con múltiples cargas a través de una única interfaz de S/E. Asegúrate de que comprendes bien la topología de trazado de pistas que necesitarás en tus estándares de señalización, así como si estas pistas requieren de un control de impedancia.

Trazado de pistas en una PCB

Las pistas en la disposición 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 en donde el usuario hace clic en el mouse, abarcando eventualmente la extensión de la disposición 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 disposición, y pueden colocar las vías a medida que las pistas se mueven entre los componentes de la PCB.

Antes de comenzar a trazar tus pistas, tómate algo de tiempo para desarrollar una estrategia para diversos trazados y así garantizar que no uses excesivamente las vías o tengas que añadir capas adicionales para resolver la placa. Tu estrategia de trazado de pistas dependerá de la disposición de tu PCB; si hay demasiadas redes cruzando la disposición de la PCB, tendrás más dificultades para trazar las pistas sin demasiadas transiciones entre capas. A veces hay que comenzar por los trazados más sencillos porque estos te ayudarán a determinar qué pistas llevarán más tiempo y esfuerzo para su 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 trazado de pistas en PCB que vale la pena tener en cuenta incluyen:

  • Intentar controlar la impedancia en las pistas para una interfaz o protocolo de transmisión de señales dado en la misma capa;
  • 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 manera de lograr esto es usar regiones de tierra uniformes;
  • Procurar que las pistas sean cortas y directas, no las hagas más largas de lo necesario;
  • Para trazados de alta corriente, no temas usar polígonos para crear conductores de gran tamaño; estos pueden usarse para crear conductores de cualquier forma.

La integridad de la señal es un área íntimamente relacionada con el diseño del apilamiento de capas (stackup) del PCB y el trazado de pistas. El arreglo de las capas de plano/GND(tierra)/PWR(alimentación) con respecto a las capas de señal y las pistas son uno de los principales determinantes de la integridad de la señal, y el trazado de pistas sobre secciones enteras del GND es la mejor manera de garantizar que tu diseño mantenga la integridad de la señal y sea inmune ante la EMI (diafonías, ruido externo de RF, ruido de la fuente de alimentación, etc.). Estas sencilla directrices y las reglas de trazado de pistas antes mencionadas te ayudarán a evitar y/o reducir la incidencia de muchos problemas de integridad de la señal y a garantizar que tu placa sea completamente funcional.

Las herramientas más avanzadas para trazado de pistas que pueden ayudarte a mantenerte alineado con las directrices para trazado de pistas en PCB son interactivas. En otras palabras, estas herramientas son semiautomáticas, permitiéndote definir rutas para un grupo de señales, y las herramientas de trazado de pistas hacen los trazados de manera tal que estos obedecen tus reglas de diseño automáticamente. En este tipo de trazado de pistas, las reglas de diseño para tus redes y grupos de redes se comprueban automáticamente a medida que vas creando tu disposición de PCB. Muchos programas de diseño del tipo "freeware" y de código abierto te obligan a hacerlo todo a mano, pero los programas avanzados para diseño de PCB, como Altium Designer, pueden ayudarte a mantener alta tu productividad a medida que avanza tu proceso de disposición de componentes y trazado de pistas en tu PCB.

Directrices del enrutamiento en un 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.

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

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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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