La forma correcta de definir el ancho de las pistas de PCB

Aquí volvemos a una pregunta fundamental de ingeniería en el diseño de PCB, y ciertamente una que puede parecer bastante básica para el diseñador principiante. La pregunta es: ¿cómo determinamos qué anchos de pista usar en un stackup determinado?

Los diseños simples construidos sobre cobre de 0,5 oz / 1 oz en las capas internas/externas normalmente eligen su confiable ancho de pista de 8 mil/0,2 mm y continúan con el enrutado. A veces, estas placas necesitan un ajuste del ancho de pista para el control de impedancia, pero por lo general podemos elegir un ancho de pista y mantenerlo.

En muchas otras situaciones, como diseños con componentes densos de terminación inferior, alto número de capas, múltiples perfiles de impedancia y cobre más pesado, podríamos descubrir que el confiable ancho de pista de 8 mil/0,2 mm ya no cumple su función. En este artículo veremos todos los casos en los que necesitamos determinar restricciones de ancho de pista impulsadas por el diseño del stackup y las capacidades del fabricante.

Empiece siempre con el stackup de la PCB

El stackup de la PCB es, literal y figuradamente, la base de su diseño de placa de circuito. Por supuesto, sostiene los componentes que pueden ensamblarse en el diseño, pero también puede crear restricciones sobre qué ancho de pista se usa para completar el enrutado. La restricción sobre el ancho de pista usado en el enrutado puede provenir de múltiples áreas del diseño, y es responsabilidad del diseñador determinar cuáles de estas se aplican a un layout o producto en particular.

De hecho, lo que los diseñadores más nuevos a menudo no entienden es que el stackup estándar que se encuentra en los sitios web de la mayoría de los fabricantes no le dará estas restricciones. Los stackups estándar están pensados para diseños simples donde no existen restricciones estrictas sobre anchos de pista y separaciones. Con frecuencia, los productos reales requieren que el diseñador asuma el control del diseño del stackup y de la determinación de restricciones asociadas. Si se encuentra en esta situación, preste atención a las áreas siguientes, que le ayudarán a restringir el ancho de pista y la separación a valores apropiados.

Capacidad del fabricante y peso del cobre

El límite mínimo definitivo del ancho de pista lo imponen las capacidades de su casa de fabricación, pero no es un único número que se obtiene de un sitio web. Un punto importante que muchos diseñadores nuevos no advierten, especialmente si planean trabajar en electrónica de potencia, es que el peso del cobre impone una restricción mínima sobre el ancho de pista. Esto se debe a que el cobre más pesado tarda más en grabarse, y las pistas más estrechas sobre cobre grueso pueden no producirse de manera repetible durante tiempos de grabado prolongados. Por lo tanto, una casa de fabricación solo puede garantizar un cierto tamaño mínimo de pista en función del peso del cobre.

A continuación se muestra una tabla que compara valores típicos de ancho de pista y separación de una casa de fabricación para tres valores de peso de cobre y para capas internas y externas.

También puede haber notado que la tabla separa los valores de ancho de pista entre capas internas y externas. Una razón para ello es que el cobre de la capa interna no requiere el recubrimiento final de los agujeros pasantes y puede tener un tamaño de pista y una separación permitida menores que las capas externas. Tenga en cuenta que los valores de peso de cobre indicados aquí son pesos de cobre finales, es decir, se refieren al peso del cobre después del recubrimiento.

Componentes de terminación inferior de paso fino

Aunque esta categoría de componentes incluye encapsulados BGA grandes, no se limita a los BGA. Muchos QFN, LGA e incluso algunos componentes con terminales pueden tener un paso de pin pequeño, lo que limita el ancho de pista que debe usarse para enrutar hacia estos componentes. Esta restricción puede aplicarse independientemente del valor de impedancia requerido o del peso del cobre.

Los QFN o LGA de paso fino pueden tener un paso de pin de hasta 0,5 mm, o 20 mil. Con esos pasos de pin, normalmente solo se dispone de un margen de 8 o 10 mil para el ancho de pista en el extremo superior. En otras palabras, el ancho de pista para enrutar hacia ese componente estará restringido en el extremo inferior por el peso del cobre y en el extremo superior por el tamaño físico de los pads en el footprint del componente.

Algo importante que debe entenderse sobre estos componentes es que el ancho de pista permitido que puede ajustarse a los pads del componente influirá en el diseño del stackup cuando se requiera control de impedancia. Por ejemplo, si necesita una microstrip de 10 mil de ancho a 50 ohmios entrando a un encapsulado QFN de paso fino, el dieléctrico de la capa externa no puede ser más grueso que aproximadamente 5 mil.

Footprints BGA con alto número de pines

Los footprints BGA pueden eliminar la posibilidad de enrutar entre pines o pads, específicamente cuando el paso entre los pines es pequeño. Estos BGA y los campos de vías usados para fanout pueden permitir el enrutado entre pads, pero eventualmente el paso de bola se vuelve tan pequeño que no se puede enrutar entre las vías o los pads del BGA sin violar los límites de ancho y separación. Esto establece un límite superior para el ancho de pista que puede usarse, al menos en la región del BGA.

La mayoría de los diseñadores toman este valor de ancho de pista y lo usan en toda la placa. Esto se debe en parte a la conveniencia de configurar las reglas y restricciones de diseño, y así no es necesario crear una regla de reducción de ancho al enrutar hacia el footprint del BGA.

La otra razón por la que muchos diseñadores toman este ancho de pista máximo impuesto por un footprint BGA y lo usan en toda la placa es porque es muy probable que haya otros componentes de paso fino en la placa que también puedan beneficiarse del mismo ancho de pista. Esta es otra buena razón para simplemente establecer un ancho de pista preferido global en sus reglas de diseño y usarlo en todas partes. Por supuesto, hay excepciones, como en el caso de impedancia controlada o integridad de señal, pero a menudo estas también se abordan seleccionando los espesores dieléctricos adecuados en el stackup de la PCB.

Tamaño del agujero de taladro de la vía frente al ancho de pista

Esta configuración de restricciones es mucho menos común, pero es una forma útil de evitar que una ruptura de taladro desde un pad de vía corte una pista conectada. Esto es algo que podría hacerse en un producto de consumo de bajo costo o en un dispositivo desechable que no necesita cumplir normas de confiabilidad o mano de obra de nivel comercial o militar.

Las rupturas durante el taladrado se muestran en la imagen de abajo. Dependiendo de la clase de producto IPC:

• Los productos no críticos aún pueden permitir ruptura (Clase 1)
• La ruptura es limitada (Clase 2)
• La ruptura está prohibida (Clase 3)

Estas pistas de 6 mil están conectadas a vías con agujeros de taladro de 8 mil con anillos anulares por debajo de la subclase 2, lo que podría provocar ruptura. Aumentar el ancho de pista a 10 mil o añadir tear drops ayudará a garantizar que una pista no se desprenda cuando haya una gran desviación del taladro.

A partir de la imagen, debería quedar muy claro que si el pad de la vía es pequeño, las rupturas cerca de la conexión de la pista pueden seccionarla por completo, y la PCB tendría que desecharse. Sin embargo, como alternativa al uso de pads de vía más grandes, usar una pista más ancha que sea mayor que el diámetro del taladro garantizará que la ruptura no separe completamente la pista del pad de la vía.

Objetivo de impedancia

El factor final que determina una restricción de ancho de pista y que es una consecuencia directa del diseño del stackup es el tamaño de pista necesario para una impedancia objetivo. Si está usando un stackup estándar de una casa de fabricación, algunos stackups le darán el tamaño de pista para una impedancia de 50 ohmios, y luego aplicarán un enfoque de impedancia controlada para pares diferenciales.

Los usuarios de Altium Designer también pueden obtener un cálculo de impedancia altamente preciso para pistas single-ended o pares diferenciales usando el solucionador de impedancia en el Layer Stack Manager. Este se encuentra en la pestaña Impedance y utiliza un motor integrado de resolución de campos electromagnéticos para calcular la impedancia sin pérdidas.

El Layer Stack Manager de Altium Designer incluye un calculador de impedancia sin pérdidas.

Este valor puede aplicarse luego como una regla de diseño en su archivo PcbDoc durante el enrutado. Los valores de impedancia pueden asignarse a nets individuales y clases de nets, y pueden activarse o desactivarse para capas específicas.

Dimensionamiento de rieles de potencia

Algunos de los casos enumerados anteriormente tratan de encontrar y establecer el ancho de pista máximo, o de encontrar un ancho de pista mínimo para enrutar pistas pequeñas. Pero, ¿qué ocurre con las pistas o rieles para electrónica de potencia?

Los rieles de potencia pueden definirse y configurarse mediante una regla de diseño, igual que las pistas estándar, pero tienden a requerir mayor separación y mayor ancho que las pistas estándar. Estas separaciones y tamaños de riel dependen de la tensión y la corriente del riel en cuestión, y existe orientación IPC sobre el dimensionamiento de rieles para evitar una caída de tensión IR excesiva en el riel de potencia.

Para dimensionar anchos de pista (o polígono) que eviten una caída de tensión excesiva y mantengan el aumento de temperatura del riel por debajo de cierto nivel, la norma IPC-2152 proporciona cierta orientación sobre el área de sección transversal requerida de un riel de cobre. Esta orientación se encuentra en las tablas siguientes.

Estas tablas muestran cómo la limitación del aumento de temperatura y la corriente se relacionan mediante el área de sección transversal: una sección transversal mayor permite una corriente más alta para un aumento de temperatura permitido dado. Esto tiene sentido, ya que una sección transversal mayor reduce la densidad de corriente y, por lo tanto, reduce la caída IR.

¿Qué ocurre con la tensión y la separación? Los valores de separación solo desempeñan un papel importante a alta tensión y se abordan en una norma diferente (IPC-2221). La separación requerida para una determinada tensión DC/pico AC puede calcularse o determinarse a partir de tablas. También hemos desarrollado una calculadora para esta tarea, que se encuentra en otro artículo:

• Uso de una calculadora de separación de PCB IPC-2221 para diseño de alta tensión

El mejor software de enrutado de PCB para aplicar reglas de ancho de pista en PCB

Si desea asegurarse de mantener el ancho de pista correcto en todo su diseño, incluidos distintos valores en diferentes capas y en diferentes regiones del diseño de la PCB, necesita un software de diseño de PCB con un motor de reglas de diseño de PCB potente y altamente configurable. Estos límites de ancho de pista pueden definirse mediante un formato de matriz de restricciones o estableciendo límites para distintas categorías de reglas de diseño de PCB. Independientemente de cómo prefiera configurar sus restricciones de ancho de pista, el motor de reglas de diseño de PCB de Altium Designer ofrece la capacidad y la flexibilidad necesarias para controlar el ancho de pista en todo su diseño.

Restricciones de ancho de pista por capa

El sistema de reglas de diseño de PCB de Altium Designer permite a los usuarios crear consultas personalizadas que especifican dónde se aplica una regla de diseño y a qué objetos se aplica. Para controlar las pistas en capas específicas o grupos de capas, usaría la consulta OnLayer para seleccionar pistas en una capa específica. También puede crear un grupo de capas, llamado Layer Class, y usar la consulta InLayerClass para señalar las pistas en cualquier capa del grupo.

Se pueden crear clases en Altium Designer para que las reglas de diseño puedan aplicarse a grupos de objetos dentro de una clase.

Para definir un ancho de pista para una capa específica, cree una regla Routing Width y utilice su consulta de alcance para seleccionar la capa o clase de capa requerida. Esto permite que los anchos de pista mínimo, preferido y máximo se apliquen solo donde la consulta correspondiente se evalúe como verdadera.

• Abra el PCB Rules and Constraints Editor y localice la categoría de reglas Routing - Width.
• Cree una nueva regla Width para la capa o grupo de capas que necesita un ancho de pista único.
• Introduzca una consulta OnLayer para una sola capa, como OnLayer('Top Layer').
• Para varias capas relacionadas, cree una Layer Class y use una consulta InLayerClass para aplicar la regla a ese grupo.
• Introduzca los valores de ancho de pista mínimo, preferido y máximo que deben aplicarse a las capas seleccionadas.
• Configure adecuadamente la prioridad de la regla si otra regla Width también pudiera aplicarse a los mismos objetos enrutados.
• Enrute o modifique las pistas con normalidad, permitiendo que Altium Designer aplique los límites de ancho correspondientes según la capa activa.

Restricciones de ancho de pista por región

Restringir el ancho de pista por región en el diseño de la PCB es menos común, pero también es posible con el sistema de consultas dentro de Altium Designer. Un objeto Room puede definir el área física donde debe aplicarse una regla de ancho diferente, mientras que la consulta WithinRoom identifica los objetos enrutados ubicados dentro de esa área.

• Cree o coloque un Room alrededor de la parte de la PCB donde se requiere el ancho de pista alternativo.
• Asigne al Room un nombre claro para que pueda referenciarse desde la consulta de la regla de diseño.
• Cree una nueva regla en Routing - Width dentro del PCB Rules and Constraints Editor.
• Use una consulta como WithinRoom('RoomName') para aplicar la regla Width a los objetos dentro del Room especificado.
• Introduzca los valores de ancho de pista mínimo, preferido y máximo para esa región.
• Ajuste la prioridad de la regla si la regla regional se superpone con reglas Width globales, específicas de red o específicas de capa.
• Enrute a través del Room con normalidad, permitiendo que la regla Width regional controle las dimensiones de pista permitidas.

Se pueden definir Rooms en el diseño de la PCB para establecer regiones donde se apliquen reglas de diseño específicas.

Mantenga práctico el control del ancho de pista

Las reglas de diseño de PCB simplifican la gestión del enrutamiento y de las restricciones de fabricación y eléctricas, eliminando la necesidad de realizar un seguimiento manual de las excepciones. En lugar de depender de sistemas de restricciones rígidos o configuraciones globales, Altium Designer le permite definir reglas basadas en estructuras reales de la PCB mediante consultas personalizadas. Puede delimitar las restricciones de ancho de pista por red, capa, componente o región física, manteniendo una regla global simple y aplicando automáticamente excepciones de alta prioridad donde sea necesario.

Para obtener más información sobre el sistema de reglas de diseño de PCB en Altium Designer, vea el siguiente video.

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Preguntas frecuentes

¿Cómo afecta el peso del cobre al ancho mínimo de pista en una PCB?

Un cobre más pesado generalmente requiere un mayor ancho mínimo de pista porque el cobre más grueso tarda más en grabarse. A medida que aumenta el tiempo de grabado, las pistas muy estrechas se vuelven más difíciles de fabricar de forma consistente. Por lo tanto, su fabricante de PCB debería especificar el ancho mínimo de pista y el espaciado en función del peso final del cobre, en lugar de proporcionar un único valor mínimo para todas las capas.

¿Qué ancho debe tener una pista de potencia de PCB para una corriente determinada?

El ancho de una pista de potencia de PCB debe seleccionarse en función de la corriente, el espesor del cobre, el aumento de temperatura permitido y la caída de tensión aceptable. IPC-2152 proporciona orientación para determinar el área de sección transversal de cobre requerida. Una corriente más alta o un menor aumento de temperatura permitido generalmente requieren una sección transversal mayor, lo que puede lograrse con una pista más ancha, cobre más pesado o ambos.

¿Puede el ancho de pista en una PCB ayudar a prevenir fallas por ruptura del taladro de vía?

Sí. Si la desviación del taladrado provoca una ruptura cerca del punto donde una pista se conecta a una almohadilla de vía, una pista estrecha puede llegar a cortarse. Usar una pista más ancha que el diámetro de perforación de la vía proporciona cobre adicional alrededor de la conexión y reduce la posibilidad de que la ruptura desconecte por completo la pista. Los teardrops también pueden aportar cobre adicional en la transición entre la vía y la pista.

¿Cómo configuro diferentes anchos de pista en distintas capas de PCB en Altium Designer?

Cree reglas independientes Routing - Width en el PCB Rules and Constraints Editor y aplique cada regla a la capa requerida. Use una consulta OnLayer para una sola capa o cree una Layer Class y use InLayerClass para varias capas. Cada regla puede definir sus propios anchos de pista mínimo, preferido y máximo, y la prioridad de la regla determina qué restricción se aplica cuando las reglas se superponen.

¿Cómo limitan el paso de BGA y el tamaño de la vía el ancho de pista en una PCB?

El paso de BGA determina cuánto espacio de enrutamiento está disponible entre las almohadillas y las vías de fanout. A medida que disminuye el paso de bola, también disminuye el ancho máximo de pista que puede pasar por la región del BGA. Con pasos suficientemente pequeños, es posible que ya no se pueda enrutar entre almohadillas o vías sin infringir los límites de ancho de pista y separación, lo que requiere pistas más estrechas, vías más pequeñas o una estrategia de fanout diferente.