Consejos prácticos de diseño para PCB no enrutables

Crecí en una era en la que la PlayStation aún no había hecho su aparición. Por entonces, las consolas genéricas reinaban, junto con otros competidores prémium como la Super Nintendo y la Sega. Mientras jugaba a Super Mario, ese juego en que el protagonista tienen una apariencia divertida y dispara bolas de fuego gracias a los superpoderes que consigue de unas setas, descubrí por primera vez mi terquedad. Perdí la cuenta de cuantas veces repetí el juego entero, incluso a pesar de que siempre me derrotaban en el último nivel. Entonces, las partidas no se podían guardar ni reanudar desde donde lo habías dejado y, por ello, pasé un número incontable de horas intentando sacar lo mejor del jefe cocodrilo villano.

Por suerte, era un pelín más inteligente al enfrentarme a los problemas de limitaciones de tamaño en el enrutado de mis PCB. Cuando empiezas a trabajar como ingeniero de hardware, puedes pensar que el diseño de PCB es un proceso divertido que consiste en colocar componentes y enlazar conexiones. Y este pensamiento se desvanece cuando pasas días luchando por enrutar un diseño al parecer sencillo. Si te encuentras mirando una placa que no puedes enrutar, estos consejos de diseño de PCB pueden darte el empujón que tu estrategia de enrutado necesita:

1. Utiliza componentes más pequeños.
2. Rota los componentes.
3. Reubica los componentes.
4. Utiliza pistas, vías y espacios más pequeños.
5. Utiliza una PCB multicapa.

¿Por qué hay algunos circuitos impresos que no se pueden enrutar?

Si llevas tiempo suficiente trabajando en este sector, sabrás que algunos diseños pueden ser complicados o imposibles de enrutar debido a una serie de motivos. Si estás empezando a diseñar PCB, llegará un momento en el que tendrás que enfrentarte a situaciones más complejas, como que la placa es bastante difícil de diseñar y enrutar.

Existe una serie de razones por las que una placa no es enrutable, muchas de las cuales son por elecciones de diseño que se realizan justo después de la captura de esquemáticos. Una estrategia de planificación del diagrama equivocada, componentes mal seleccionados, capas insuficientes y pistas de un tamaño erróneo son todos motivos por los que una placa puede no poder enrutarse. En algunos casos, quizá estás intentando poner muchas cosas en un espacio demasiado reducido, y no te quedará otra que hacer el tamaño de la placa más grande. Sin embargo, antes de que te decidas a hacer la placa más grande y separar los componentes, intenta algunos de estos consejos de diseño de PCB y comprueba si es de nuevo sencillo enrutarla.

Consejos de diseño para PCB no enrutables

1. Utiliza componentes más pequeños

El uso de componentes de orificio pasante debería estar bien justificado. Estos ocupan más espacio si los comparamos con aquellos que se montan sobre la superficie. Dicho esto, los componentes de montaje en superficie están disponibles en varios factores de forma y optar por un factor de forma más reducido podría despejar el camino para las pistas de cobre.

A veces, cuando nos decidimos por componentes de una matriz de rejilla de bolas (BGA) en vez de por componentes de encapsulado cuadrado plano (QFP), el área disponible en la placa durante el proceso de enrutado puede ser mayor. Por supuesto, utilizar factores de forma más pequeños puede hacer que la reparación manual sea más difícil, ya que demandan un nivel superior de precisión y habilidades técnicas.

_{Si no te queda otra, reduce el tamaño en los circuitos impresos que no se pueden enrutar}

2. Rota los componentes

Podrías estar preguntándote en qué te ayudaría rotar componentes para arreglar un diseño no enrutable. Fíjate en el tipo de placa que se muestra más abajo. Aquí, los dos circuitos integrados se encuentran uno frente al otro y hacen muy sencillo enrutar pistas directamente entre los dos chips en la capa de la superficie. Si los circuitos integrados que quedan se rotaran 90 grados, las pistas tendrían que moverse alrededor del exterior del circuito integrado para realizar las conexiones necesarias. Si hay espacio suficiente en la capa de la superficie, esto no tendría que suponer un problema, pero sí que puede hacer complicado ubicar las estructuras de ajuste de la longitud. Si la capa de la superficie es reducida o está abarrotada, puedes encontrarte con que no se puede enrutar.

_{Una simple rotación de un circuito integrado con un alto número de pines puede alinear los pines y facilitar las tareas de enrutado en PCB no enrutables.}

3. Reubica los componentes

Esta acción implica algo más que simplemente rotar los componentes. Consiste en crear el diagrama apropiado para la placa antes de empezar a enrutar las pistas. El sentido común sirve a veces de ayuda para lograr que los componentes estén perfectamente organizados y no se desperdicie un preciado espacio. Intenta prestar atención a los siguientes puntos:

• Coloca los componentes en cascada, cerca unos de otros, y en secuencia. Así no tendrás que enrutar una y otra vez la placa.
• Consolida los componentes siempre que sea posible. Por ejemplo, en vez de utilizar múltiples resistencias pequeñas en paralelo o en serie, usa una sola resistencia que proporcione la resistencia deseada.
• Agrupa componentes en bloques funcionales, y coloca los bloques que interaccionen entre sí cerca. De este modo se reduce el espacio entre los grupos de componentes que necesitan comunicarse entre ellos.
• Los componentes que necesitan conectarse a un conector de extremo tienen que estar lo más cerca posible de dicho conector. Los otros componentes en la cadena de señal deberían colocarse en cascada, tal como se describe más arriba.

Probablemente ya has leído suficiente sobre cómo los componentes digitales y analógicos deben separarse entre ellos en secciones diferentes de una placa con señales mixtas. Los convertidores analógicos/digitales necesitan traspasar la línea divisoria entre estos dos grupos de componentes para evitar la interferencia de señales mixtas. En este tipo de diseño, coloca los componentes que necesitan conectarse a los convertidores analógicos/digitales lo más cerca posible, y dispón en cascada otros componentes lejos de esta sección de la placa.

_{Una simple rotación de un circuito integrado con un alto número de pines puede alinear los pines y facilitar las tareas de enrutado en circuitos impresos que no se pueden enrutar.}

4. Utiliza pistas, vías y espacios más pequeños

Muchos diseños de placas de circuito de antaño no podían fabricarse por una serie de restricciones que ya hemos conseguido superar. Los diseñadores pueden optar por vías, pistas y espacios más reducidos cuando se planifica un diseño, llegando al régimen HDI en placas muy densas. Existen algunas restricciones en este caso, que limitarán la posibilidad de utilizar siempre pistas más pequeñas:

• Control de la impedancia: cuando las pistas en la placa funcionan como líneas de transmisión, como es el caso de altas frecuencias y altas velocidades, tendrás que utilizar enrutamiento de la impedancia controlado; así se restringe la anchura de la pista que puedes utilizar con unos valores específicos.
• Pares diferenciales: los pares diferenciales requieren un espacio específico para garantizar que la impedancia diferencial  adopte un valor específico.
• Diseño de alta corriente: las pistas que transportan alta corriente tienen que diseñarse con una anchura específica para limitar el ascenso de la temperatura.
• Diseño de alta tensión: en las placas que funcionan a alta tensión, las pistas y otros conductores necesitan estar suficientemente espaciados para evitar descargas electrostáticas; asegúrate de comprobar las distancias de fuga y corriente entre conductores expuestos.

5. Utiliza una PCB multicapa

El coste es definitivamente un factor importante cuando se trata de aspectos comerciales de diseño electrónico. La mayoría de los nuevos diseñadores optan por diseños de una sola capa o de doble capa cuando no es necesaria una PCB multicapa. Sin embargo, cambiar las conexiones de alimentación y de puesta a tierra a las capas intermedias de una PCB es una maravilla para liberar un espacio importante en la capa exterior. Tener un plano de potencia y puesta a tierra grande proporciona asimismo un suministro de energía estable para componentes de PCB.

_{Usa una PCB multicapa para tener más áreas de enrutado libres en los circuitos impresos que no se pueden enrutar}

Los diseños modernos constan de, como mínimo, una PCB de 4 capas. Estas placas tienen un plano de potencia y un plano de puesta a tierra internos, dejando las capas de la superficie libres para tus componentes. Conforme aumenta la densidad de las pistas y la densidad de los componentes, necesitarás muchas más placas para poder acomodar las pistas adicionales necesarias para realizar conexiones. Estas capas internas son críticas para insertar más componentes en una placa, ya que liberan espacio en las capas de la superficie. Asegúrate de seguir las mejores prácticas de diseño de apilado de PCB cuando trabajes con placas multicapa.

¿Y si pruebas con el enrutamiento automático después de realizar estos cambios?

Los diseñadores con experiencia que conozco maldicen los enrutamientos automáticos por una serie de razones. Normalmente, trabajan en diseños muy complejos que cuentan con una serie de limitaciones de diseño, y estas restricciones simplemente no se pueden tener en cuenta en herramientas de enrutado automáticas. Otras veces, los resultados de un enrutador automático necesitarán modificarse de todos modos, y el diseñador puede producir un mejor enrutado sin infringir las reglas sin el enrutamiento automático.

Si aún estás aprendiendo estrategias de enrutado de PCB, o simplemente estás experimentando, no pasa nada por darle una oportunidad al enrutamiento automático. Los algoritmos fundamentales en los enrutamientos automáticos han mejorado con el tiempo y son lo suficientemente potentes para enrutar de manera uniforme entre capas en una placa multicapa.

La otra opción es el enrutado interactivo automático, que es un tipo de enrutado automático dirigido. Con este tipo de herramienta, el diseñador proporciona instrucciones genéricas a la herramienta, seleccionando puntos específicos en la placa, y el enrutador rellena los huecos enrutando pistas entre cada punto. Esto permite enrutar simultáneamente un mayor número de pistas, a la vez que se respetan las restricciones de diseño. Después de confirmar que tu PCB es físicamente enrutable, puedes comenzar de forma manual a hacer ciertas conexiones críticas antes de permitir que la porción automática de la herramienta complete el resto.

_{El enrutado interactivo automático enlaza pistas entre puntos diferentes, y el enrutador rellena los huecos entre cada punto}

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