Diseño de PCB para principiantes: una guía paso a paso para construir su primera placa

La primera placa que envía un principiante generalmente regresa con uno de tres problemas: una huella de conector a medio milímetro de sus almohadillas, un rastro de energía que se calienta bajo carga o un paquete Gerber sobre el cual el fabricante tiene que enviarle un correo electrónico antes de que el trabajo pueda comenzar. Ninguno de esos son errores de circuito. Son decisiones de diseño y transferencia que se toman después de que el esquema ya funcionó en la pantalla.

Para un primer diseño, el camino confiable es estrecho. Mantenga la placa de una sola cara o de dos capas, coloque cada conector y orificio de montaje antes de enrutar una sola traza, mida las trazas de energía a partir de una tabla actual en lugar de hacerlo a ojo, y finalice con una verificación de reglas de diseño que coincida con lo que su fabricante realmente puede producir. Las secciones siguientes explican por qué existe cada uno de esos pasos y cuánto cuesta omitirlo.

Comience con un esquema y huellas que pueda verificar

El esquema no es un papeleo que usted termina antes de que comience el trabajo de diseño "real". Es la lista de red la que impulsa el diseño, la lista de materiales y el plano de ensamblaje, y cada discrepancia que queda en ella se convierte en un rastro de cobre que debes cortar más adelante.

Pase la hora extra en la biblioteca en lugar del diseño. Los repositorios abiertos y los sitios de distribución están llenos de huellas dibujadas por otros usuarios, y una almohadilla que es 0,2 mm demasiado estrecha todavía parece convincente en la pantalla y hace que la soldadura manual sea casi imposible.

• Copie el patrón de terreno recomendado de la hoja de datos del componente en lugar de dibujar el suyo propio.
• Confirme la orientación del pasador 1 y verifique si la pieza se refleja cuando se asienta en la parte inferior.
• Verifique que cada patio de la huella no se superponga a sus vecinos.
• Haga coincidir el recuento de pads de la huella con el símbolo antes de importar ambos al diseño.

Si todavía está construyendo un modelo mental de todo el flujo, vale la pena leer un tutorial sobre los conceptos básicos del diseño de PCB, las opciones de apilamiento y los consejos para la resolución de problemas antes de dedicar un fin de semana a una herramienta de diseño.

Un tablero de una sola cara o de dos capas suele ser suficiente

Para un primer proyecto, una o dos capas casi siempre soportarán el circuito, y la placa más simple es más barata de fabricar, más rápida de llegar y mucho más fácil de reelaborar cuando algo sale mal.

Un tablero de una sola cara coloca cada rastro de cobre en la parte inferior y cada parte en la parte superior. No hay vías plateadas de las que preocuparse, y si una traza debe cruzarse con otra, se resuelve con un enlace de cable en lugar de un rediseño. Es por eso que tantos primeros proyectos (cronómetros, desconexión de sensores, controladores de un solo transistor) se quedan unilaterales.

El acabado de la superficie es más importante de lo que esperan los principiantes. OSP, el conservante orgánico de soldabilidad, deja cobre plano que se suelda bien, tiene una vida útil razonable y cuesta menos que el baño de oro. Una placa OSP de un solo lado es un primer pedido sensato porque tiene muy poco que un soldador torpe pueda dañar.

Placa PCB OSP de una cara Los PCB OSP de una sola cara utilizan un tratamiento de superficie de película de soldabilidad orgánica (OSP), que es ecológico y no tóxico. Ofrecen almohadillas muy planas, haciendo... Ver producto →

Dos capas le brindan un plano de tierra continuo en un lado, que es la mayor mejora de ruido y calidad de la señal disponible por muy poco dinero. Si su diseño incluye un regulador de conmutación, un bus SPI o un cristal, comience con dos capas.

Pase a cuatro capas cuando el enrutamiento o el ruido lo exijan

Cuatro capas dejan de ser un lujo cuando aumenta la densidad de la señal o la velocidad del reloj. La disposición estándar para principiantes es señal, tierra, potencia, señal: cada rastro tiene un plano de referencia continuo directamente debajo de él, lo que elimina la mayoría de las conjeturas sobre la ruta de retorno que afectan a los diseños de dos capas.

El paso de dos capas a cuatro es real, pero generalmente más pequeño de lo que la gente teme, y permite comprar una placa más silenciosa con mucho menos tiempo de diseño. Una construcción estándar de cuatro capas con máscara de soldadura verde y un acabado OSP es donde terminan muchos de los primeros diseños serios.

PCB OSP verde de 4 capas cuatro capas double-sided green OSP boards, using high-Tg FR-4 substrate and environmentally friendly OSP (organic soldering flux) surface treatment process, the green s... Ver producto →

Coloque los componentes antes de enrutar cualquier cosa

La ubicación decide la mayor parte de la dificultad de tu ruta. Los principiantes suelen colocar las piezas de forma tosca, empezar a fresar y sólo entonces descubren que un conector tiene que moverse.

1. Coloque primero los conectores, interruptores, LED y orificios de montaje, porque el gabinete decide dónde van.
2. A continuación, agregue piezas con restricciones mecánicas: cristales, antenas, disipadores de calor, cualquier cosa que tenga un área de exclusión.
3. Coloque cada condensador de desacoplamiento lo más cerca posible del pin de alimentación al que sirve, en el mismo lado si el espacio lo permite.
4. Organice los componentes restantes de modo que las conexiones entre ellos permanezcan cortas y luego comience a enrutar.

Mantenga el cobre al menos a 0,3 mm del contorno de la placa a menos que el fabricante indique lo contrario, y recuerde que los bordes ranurados o con ranuras en V eliminan el material después del montaje. No entierre un punto de prueba debajo de una parte alta y deje espacio para sondear alrededor de cualquier cosa que necesite medir; usted lo medirá.

El tamaño se debe a la corriente, no al hábito

El ancho de la traza es una decisión térmica antes que cualquier otra cosa. Una traza que es demasiado estrecha para su corriente se calienta, y ese aumento de temperatura (no solo la corriente) es lo que eventualmente daña el laminado o una unión soldada.

Las curvas IPC-2221 se encuentran detrás de casi todas las calculadoras de ancho de traza en línea, y el patrón es simple: el ancho crece más rápido que el actual. Pasar de 1 un a 2A con el mismo espesor de cobre multiplica el ancho requerido aproximadamente por 2,6, no por dos. Los trazos de la capa interior también se calientan más porque el laminado atrapa el calor, por lo que un trazo interior necesita aproximadamente 2,6 veces el ancho de su equivalente en la capa exterior.

Trate esas cifras como mínimos sólo para la temperatura. La caída de voltaje, la impedancia controlada y la corriente de fusión empujan anchos más altos.

Cuando un diseño realmente es actual, el peso del cobre y el acabado de la superficie se convierten en decisiones de diseño en lugar de detalles de compra. Dos onzas de cobre representan aproximadamente la mitad de cada ancho de la mesa, y vale la pena especificar con anticipación un acabado soldado sin plomo, como el que se usa en una placa sin plomo de doble cara construida para energía y electrónica automotriz, porque cambia tanto el proceso como la superficie a la que soldará.

PCB soldado sin plomo verde de doble cara para electrónica automotriz y de energía Tablero estañado sin plomo de color verde por ambas caras. La gruesa barrera metálica formada por el recubrimiento de estaño tiene un excelente rendimiento de disipación de calor y la capacidad de manejar l... Ver producto →

La geometría también importa. Enrute a 45 grados en lugar de 90, mantenga los bucles de alta corriente físicamente pequeños y ejecute trazas de señales sobre terreno ininterrumpido donde la acumulación lo permita.

Ejecute DRC contra los límites reales del fabricante

La verificación de las reglas de diseño no es una formalidad guardada para el final. Establezca sus reglas a partir de la capacidad publicada del fabricante antes de comenzar, luego ejecute la verificación después de la colocación y nuevamente después del enrutamiento.

Las fábricas multicapa pueden contener un ancho de línea y un espaciado de 3/3 de mil (una placa chapada en oro de 6 capas con esa geometría es una producción rutinaria para muchas de ellas), pero diseñar a 6/6 de mil no le cuesta nada a una primera placa lenta en rendimiento y deja margen contra la variación del grabado y las cotizaciones más baratas.

Antes de exportar, borre estas comprobaciones:

• Redes desconectadas y de una sola plataforma, lo que generalmente significa que nunca se conectó un símbolo esquemático.
• Violaciones de espacio libre entre pistas, almohadillas y vertidos de cobre.
• Serigrafía impresa sobre almohadillas expuestas, lo que interfiere con la pasta de soldadura.
• Anillos anulares y tamaños de brocas por debajo del mínimo del fabricante.
• Pads superpuestos o duplicados, que a menudo quedan atrás cuando se edita una huella.

Luego exporte Gerbers en formato RS-274X, un archivo por capa, más un archivo de perforación NC en unidades coincidentes y una breve nota de texto que enumera el recuento de capas, el espesor de la placa, el peso del cobre, el acabado de la superficie y cualquier requisito de impedancia. Cada pregunta que un fabricante tiene que hacerle agrega un día a la cotización.

Qué enviar y qué devolver

La producción es rápida una vez que los archivos son correctos. Los plazos de entrega estándar para un tablero sencillo se ven así:

• Lotes grandes a una cara y a doble cara: 6 a 7 días
• 4 a 8 capas: 9 a 20 días
• 10 a 16 capas: 20 a 25 días
• 16 a 32 capas: 25 a 45 días
• Tableros HDI: en 25 días
• Prototipos de doble cara: en tan solo 24 horas

El precio depende del tamaño, el número de capas, el peso del cobre, el acabado, la cantidad y la fuerza con la que se exige la tolerancia. Las certificaciones muestran a qué mercados puede atender una fábrica: ISO 9001, ISO 14001 e ISO 45001 cubren la gestión general de calidad, medio ambiente y seguridad, mientras que IATF 16949 es importante cuando la placa termina en un vehículo y UL es importante cuando el producto terminado se vende en América del Norte. Leer la página de servicio de un posible proveedor antes de bloquear los Gerber le indica qué tolerancias y acabados ejecutan todos los días, lo cual es más útil que los mínimos impresos en una tabla de capacidad.

Si quitas una secuencia de este artículo, conviértela en esta:

1. Dibuje el esquema y verifique cada huella con una hoja de datos.
2. Elija el recuento de capas más bajo que transporta sus señales y agregue un plano de tierra tan pronto como pase a dos capas.
3. Coloque los conectores, los orificios de montaje y los condensadores de desacoplamiento antes de enrutar cualquier cosa.
4. Dimensione las trazas de energía a partir de una tabla actual y mantenga cortos los bucles de corriente.
5. Ejecute DRC, exporte Gerbers RS-274X con un archivo de perforación NC y envíe el paquete con una nota acumulativa escrita.

Luego pide una pequeña cantidad de prototipo, enciéndelo lentamente y escribe lo que cambiarías. La segunda placa siempre es mejor que la primera y la forma más rápida de aprender a diseñar PCB es terminar una.