Dominar el diseño de PCB: una guía paso a paso

El diseño de PCB requiere un pensamiento meticuloso; cuanto más reflexivo y experimentado sea el diseñador, mejor será la placa resultante.

1. Etapa de preparación:

Esto implica preparar la biblioteca de componentes y el esquema. Para crear una buena placa, no solo es esencial diseñar el esquema correctamente, sino que dibujar la placa también es una parte fundamental. Antes de comenzar con el diseño de PCB, asegúrese de que la biblioteca de componentes para el esquema (SCH) y la PCB esté lista. Si bien puede utilizar las bibliotecas proporcionadas por el software de diseño, a menudo carecen de opciones adecuadas, por lo que es mejor crear la suya propia en función de las dimensiones estándar de los componentes seleccionados. Lo ideal es comenzar con la biblioteca de componentes de PCB, seguida de la biblioteca SCH. La biblioteca de PCB tiene requisitos más estrictos, ya que afecta directamente a la instalación de la placa; la biblioteca SCH es más indulgente y se centra en definir las propiedades de los pines y su correspondencia con los componentes de PCB (preste atención a los pines ocultos en la biblioteca estándar). Luego, diseñe el esquema y, una vez completado, puede comenzar con el diseño de PCB.

2. Diseño de estructura de PCB:

En función de las dimensiones de la placa determinadas y la posición mecánica, dibuje el diseño de la PCB en el entorno de diseño, colocando los conectores, botones/interruptores, orificios para tornillos, orificios de ensamblaje, etc. necesarios. Considere y defina áreas de cableado y sin cableado (por ejemplo, qué tamaño de área alrededor de los orificios para tornillos se designa como área sin cableado).

3 Diseño de PCB:

El diseño simplemente significa colocar los componentes en la placa. Si la preparación anterior se realizó correctamente, puede generar una lista de conexiones a partir del esquema (Diseño -> Crear lista de conexiones) y luego importarla al diseño de la PCB (Diseño -> Cargar redes). Verá todos los componentes apilados con líneas de vuelo que indican las conexiones. Ahora, puede comenzar el diseño de los componentes según los siguientes principios:

1. Partición razonable basada en el rendimiento eléctrico, generalmente en: área de circuito digital (susceptible a interferencias y generadora de interferencias), área de circuito analógico (sensible a interferencias) y área de controlador de potencia (fuente de interferencias).
2. Los componentes que cumplen la misma función deben colocarse lo más cerca posible, ajustándose para asegurar las conexiones más simples; también, ajuste las posiciones relativas de los bloques funcionales para simplificar las interconexiones.
3. Para componentes más pesados, considere la posición de instalación y la resistencia; los elementos que generan calor deben colocarse separados de los componentes sensibles a la temperatura y se deben considerar medidas de convección térmica si es necesario.
4. Los componentes del controlador de E/S deben colocarse cerca del borde de la placa y cerca de los conectores.
5. Los generadores de reloj (por ejemplo, osciladores de cristal) deben colocarse lo más cerca posible de los dispositivos que utilizan el reloj.
6. Se debe colocar un capacitor de desacoplamiento entre la entrada de energía y los pines de tierra de cada circuito integrado (generalmente un capacitor cerámico de alta frecuencia); para circuitos densamente empaquetados, considere agregar un capacitor de tantalio alrededor de varios circuitos integrados.
7. Se debe agregar un diodo de descarga (por ejemplo, 1N4148) a la bobina del relé.
8. El diseño debe ser equilibrado y ordenado, evitando ser demasiado recargado o pesado en la parte superior.

Es fundamental tener en cuenta el tamaño real (superficie y altura) de los componentes y sus posiciones relativas para garantizar el rendimiento eléctrico y la viabilidad de la producción y la instalación. Además, bajo la premisa de que los principios anteriores se pueden reflejar, ajuste la colocación de los componentes para lograr prolijidad y estética: los componentes similares deben organizarse de manera uniforme y consistente, evitando una apariencia "dispersa". Este paso afecta la imagen general de la placa y la facilidad del cableado posterior, por lo que se debe dedicar un esfuerzo significativo a ello. Durante el diseño, para las áreas inciertas, se puede realizar un cableado preliminar para una consideración exhaustiva.

4. cableado:

El cableado es el paso más crítico en todo el proceso de diseño de PCB, y afecta directamente el rendimiento de la PCB. Generalmente, hay tres niveles de cableado: primero está la conectividad básica: si el cableado no está conectado y hay numerosas líneas de conexión, la placa se considera no calificada. Segundo, está el cumplimiento de los requisitos de rendimiento eléctrico, que es el estándar para determinar si una PCB está calificada. Después de lograr la conectividad, ajuste cuidadosamente el cableado para un rendimiento eléctrico óptimo. Por último, está la estética: si el cableado está conectado pero se ve caótico y colorido, independientemente del buen rendimiento eléctrico, puede percibirse como de mala calidad, lo que complica las pruebas y el mantenimiento. El cableado debe ser prolijo y ordenado, evitando cruces caóticos. Estas consideraciones deben equilibrarse con el rendimiento eléctrico y otros requisitos específicos; de lo contrario, el diseño puede perder el foco.

Al cablear:

1. Por lo general, comience con el cableado de alimentación y tierra para garantizar el rendimiento eléctrico. Si las condiciones lo permiten, amplíe el ancho de los cables de alimentación y tierra, idealmente haciendo que la tierra sea más ancha que la línea de alimentación, siguiendo la jerarquía: tierra > alimentación > señal. Los anchos de las líneas de señal suelen variar de 0.2 a 0.3 mm, con un ancho mínimo de 0.05 a 0.07 mm; las líneas de alimentación varían de 1.2 a 2.5 mm. Para las PCB digitales, un cable de tierra ancho puede formar un bucle, creando una red de tierra (esto no es adecuado para circuitos analógicos).
2. El cableado previo para requisitos más estrictos (como líneas de alta frecuencia) debe evitar las líneas de entrada y salida paralelas adyacentes para minimizar la interferencia por reflexión. Puede ser necesario aislar la conexión a tierra; el cableado en capas adyacentes debe ser perpendicular, ya que el cableado paralelo puede causar acoplamiento parásito.
3. Asegúrese de que la carcasa del oscilador esté conectada a tierra; mantenga las líneas de reloj cortas y evite extensiones innecesarias. Se debe aumentar el área de conexión a tierra debajo del circuito del oscilador de reloj y las secciones especiales del circuito lógico de alta velocidad, evitando la interferencia de otras líneas de señal.
4. Utilice ángulos de 45 grados para el cableado en lugar de 90 grados para reducir la radiación de señales de alta frecuencia (para líneas de alta demanda, considere usar arcos dobles).
5. Las líneas de señal no deben formar bucles; si es inevitable, manténgalos lo más pequeños posible; minimice las vías para las líneas de señal.
6. Las líneas críticas deben mantenerse cortas y gruesas, con conexión a tierra de protección en ambos lados.
7. Utilice una configuración “tierra-señal-tierra” al transmitir señales sensibles y ruido a través de cables planos.
8. Las señales clave deben tener puntos de prueba reservados para la producción y el mantenimiento.
9. Una vez completado el cableado esquemático, optimice el cableado; tras la comprobación inicial de la red y la verificación de la DRC, rellene las áreas no conectadas con tierra, utilizando capas de cobre grandes para las conexiones a tierra, conectando las áreas no utilizadas en la PCB como tierra. Como alternativa, considere placas multicapa, asignando una capa para la alimentación y la tierra.

Requisitos del proceso de cableado de PCB

1. Líneas:En general, las líneas de señal deben ser de 0.3 mm (12 mil), las líneas de alimentación de 0.77 mm (30 mil) o 1.27 mm (50 mil); el espaciado entre líneas y entre líneas y almohadillas debe ser ≥ 0.33 mm (13 mil). En aplicaciones de alta densidad, considere usar dos líneas entre pines de CI, con anchos de 0.254 mm (10 mil) y un espaciado mínimo de 0.254 mm (10 mil). En circunstancias especiales, cuando los pines de los componentes están cerca, considere reducir el ancho y el espaciado de manera adecuada.
2. Pads: Los pads (PAD) y las vías (VIA) deben cumplir con los requisitos básicos: el diámetro del pad debe ser ≥ 0.6 mm más grande que el diámetro del orificio; por ejemplo, use tamaños de pad/orificio de 1.6 mm/0.8 mm (63 mil/32 mil) para resistencias, capacitores y circuitos integrados con conductores generales, y 1.8 mm/1.0 mm (71 mil/39 mil) para zócalos, pines y diodos como 1N4007. En la práctica, dimensione los pads de acuerdo con las dimensiones reales del componente y, si es posible, aumente ligeramente el tamaño de los pads.
3. Vía:El tamaño estándar de la vía es de 1.27 mm/0.7 mm (50 mil/28 mil). En escenarios de cableado de alta densidad, el tamaño de la vía se puede reducir, pero no excesivamente, posiblemente utilizando 1.0 mm/0.6 mm (40 mil/24 mil).
4. Requisitos de espaciado para almohadillas, líneas y vías:
   • PAD y VIA: ≥ 0.3 mm (12 mil)
   • PAD y PAD: ≥ 0.3 mm (12 mil)
   • ALMOHADILLA y PISTA: ≥ 0.3 mm (12 mil)
   • PISTA y PISTA: ≥ 0.3 mm (12 mil) En situaciones de alta densidad:
   • PAD y VIA: ≥ 0.254 mm (10 mil)
   • PAD y PAD: ≥ 0.254 mm (10 mil)
   • ALMOHADILLA y PISTA: ≥ 0.254 mm (10 mil)
   • PISTA y PISTA: ≥ 0.254 mm (10 mil)

5. Optimización del cableado y serigrafía:

“No hay mejor, solo mejor”. Independientemente de lo bien pensado que estés diseñando, una vez que hayas terminado, encontrarás muchas áreas para modificar. Generalmente, el tiempo que se dedica a optimizar el cableado es el doble del que se dedica al cableado inicial. Una vez que estés satisfecho con el diseño, se puede verter cobre (Lugar -> Plano poligonal). El cobre se aplica normalmente a tierra (teniendo en cuenta la separación de las tierras analógicas y digitales) y, en el caso de las placas multicapa, la alimentación también puede requerir cobre. En cuanto a la serigrafía, asegúrate de que no obstruya los componentes ni quede cubierta por vías y pads. Al diseñar, el texto de la capa inferior debe reflejarse para evitar confusiones.

6. Red, controles de DRC e inspección estructural:

En primer lugar, asegúrese de que el diseño esquemático del circuito sea correcto. A continuación, realice una comprobación de la conexión física (NETCHECK) entre el archivo de red de PCB generado y el archivo de red esquemático, y realice los ajustes necesarios en función de los resultados de salida para garantizar las conexiones de cableado correctas. Una vez que se aprueben las comprobaciones de red, realice una comprobación DRC y ajuste el diseño en función de los resultados de salida para garantizar que el cableado de la PCB cumpla con el rendimiento eléctrico. Por último, inspeccione y confirme la estructura de instalación mecánica de la PCB.

7. Fabricación:

Antes de esto, lo mejor es tener un proceso de revisión.

El diseño de PCB requiere una atención extrema a los detalles, teniendo en cuenta todos los factores y esforzándose por alcanzar la perfección para garantizar la creación de una buena placa.