Guía de diseño de PCB: ubicación de componentes, enrutamiento, apilamientos y reglas de diseño

El diseño de PCB es el punto donde una idea electrónica deja de ser abstracta y comienza a convertirse en un objeto. Somos Anhui Hongxin Electronic Technology, un fabricante de placas de circuito impreso en la zona de desarrollo económico de Guangde, Anhui, y dedicamos nuestra jornada laboral a convertir los archivos de diseño de otras personas en placas que realmente se pueden grabar, perforar, recubrir y ensamblar. Eso nos da una visión práctica del tema: un diseño no está terminado cuando el software deja de quejarse, está terminado cuando la placa pasa por fábrica sin sorpresas.

Esta guía cubre lo que implica el diseño de PCB, dónde se toman las decisiones difíciles y cómo mantener un diseño dentro de la ventana de proceso de la fábrica que lo construirá. Nada de esto requiere una costosa cadena de herramientas y la mayor parte se reduce a hacer las cosas en el orden correcto.

Lo que realmente cubre el diseño de PCB

El diseño es la mitad física del diseño de PCB. El esquema decide qué pin se conecta a qué red; el diseño decide dónde residen físicamente esas conexiones, incluidas huellas, rastros de cobre, planos, vías, aberturas de máscara de soldadura y leyendas serigrafiadas. Sobre un tablero de dos capas que es un pequeño rompecabezas. En una placa de dieciséis capas se trata de una tarea de ingeniería a nivel de sistema con consecuencias térmicas, mecánicas y electromagnéticas.

Esquema versus diseño

Un esquema limpio aún puede producir una placa que oscila, se sobrecalienta o no se puede fabricar. Un circuito modesto colocado y trazado con cuidado normalmente se comportará mejor que uno sofisticado y apresurado, razón por la cual los diseñadores experimentados dedican más tiempo a la colocación y el apilado que a dibujar las trazas.

Por qué el diseño decide el costo y la confiabilidad

Aquí se establecen en gran medida tres números que rara vez cambian más adelante: el precio unitario, el rendimiento en el primer paso y si el producto pasa las pruebas de EMC en el primer intento. El número de capas, el tamaño de la placa, el tamaño mínimo de perforación y el acabado de la superficie se incluyen directamente en la cotización, mientras que las reglas de espaciado y el equilibrio del cobre determinan qué tan cómodamente se adapta el diseño al proceso de fabricación.

Un flujo de trabajo práctico de diseño de PCB

Las herramientas difieren, pero la secuencia es estable en dispositivos de consumo, controladores industriales e instrumentos médicos. Saltarse pasos suele costar más tiempo del que ahorra.

1. Revise el esquema: confirme las redes, verifique las asignaciones de pines y marque cualquier cosa que necesite impedancia controlada.
2. Fije la envoltura mecánica, porque el contorno de la placa, los orificios de montaje y las posiciones de los conectores provienen del gabinete y no del diseño.
3. Defina la acumulación, tratando el número de capas, el material, el peso del cobre y el acabado de la superficie como una decisión en lugar de cuatro.
4. Coloque primero las partes críticas: conectores, el procesador, etapas de potencia, cristales y cualquier cosa que tenga una almohadilla térmica.
5. Enrute la energía y la tierra, luego las señales, las más rápidas primero, manteniendo las rutas de retorno continuas.
6. Ejecute verificaciones de reglas de diseño con respecto a la capacidad real de la fábrica, luego exporte Gerbers, archivos de perforación y una lista clara de materiales.

Si desea ver más de cerca la etapa de dibujo y las fallas que surgen después, nuestro Diseño de PCB, esquemas y guía de solución de problemas cubre el mismo terreno desde el punto de vista de la fabricación.

La ubicación es lo primero, el enrutamiento es lo segundo

Pregúntele a un diseñador que ha pasado diez años trabajando en tableros densos qué arreglaría primero, y la respuesta casi siempre es la ubicación. Una buena ubicación convierte la ruta en una formalidad; una mala colocación la convierte en una semana de gimnasia vía.

• Bloquee primero las piezas mecánicas, ya que los conectores, interruptores y orificios son limitaciones más que variables.
• Agrupe los componentes por función y coloque cada grupo donde su señal o potencia ingresa al tablero.
• Mantenga los condensadores de desacoplamiento a unos pocos milímetros del pin al que sirven, con una conexión a tierra corta y amplia.
• Oriente las piezas de manera consistente para que la selección y colocación sea rápida y los defectos de reflujo sean menores.
• Reserve los puntos de prueba y manténgalos accesibles para la sonda en lugar de enterrados debajo de un componente.

Cuando un diseño parece atascado, mover tres o cuatro componentes suele ser más productivo que enrutar una capa adicional.

Rutas de enrutamiento, impedancia y retorno

El enrutamiento es donde el diseño se convierte en ingeniería eléctrica en lugar de dibujo. El ancho de la traza sigue el aumento de temperatura actual y aceptable, no el hábito: una traza de 10 mil es cómoda para una señal lógica y demasiado delgada para un riel de suministro de un controlador de motor. Las líneas de impedancia controlada necesitan un plano de referencia continuo directamente debajo de ellas, y ese plano no debe ser cortado por enrutamientos no relacionados.

• Mantenga el área del bucle pequeña, porque la corriente de retorno sigue el camino de menor impedancia, generalmente el plano directamente debajo de la traza.
• Nunca cruces un avión partido con una señal rápida, o simplemente has construido una antena.
• Une planos de tierra alrededor del perímetro en tableros de señal mixta y trata el espaciado de 3W como un valor predeterminado sensato para líneas paralelas sensibles.

Elegir una pila que su fabricante pueda construir

La planificación del apilamiento es donde el diseño se une a la fabricación, y merece una conversación temprana con la fábrica. FR-4 cubre la mayoría de los trabajos, los sustratos de aluminio y núcleo metálico manejan el calor, los laminados cerámicos y de alta frecuencia manejan RF y el cobre pesado transporta corriente. La siguiente tabla enumera las acumulaciones que creamos con más frecuencia y los hábitos de diseño que las mantienen funcionando sin problemas.

El acabado superficial pertenece a la misma decisión. OSP se adapta a placas planas y económicas con una vida útil corta, ENIG y oro duro se adaptan a piezas de paso fino y acoplamientos repetidos, y la nivelación de soldadura por aire caliente sin plomo sigue siendo una opción sólida y económica para ensamblajes con orificios pasantes pesados. Una placa de seis capas con líneas de 3 mil, espaciado de 3 mil, chapado en oro y un plano de tierra sólido es el tipo de construcción de caballo de batalla que aparece una y otra vez en proyectos industriales y automotrices.

PCB chapada en oro de 6 capas con trazas de 3/3 mil Una placa chapada en oro de seis capas que admite líneas de 3/3 mil y BGA, adecuada para diseños industriales, automotrices y de alta frecuencia donde es importante una transmisión de señal confiable. Ver producto →

Diseño de alta densidad: HDI, líneas finas y estructuras vía

Una vez que los pasos de bola caen por debajo de 0,5 mm y el área de la tabla se fija, los orificios pasantes convencionales dejan de ser prácticos y HDI se convierte en la respuesta. Las microvías, las vías enterradas y las estructuras apiladas le permiten escapar de un dispositivo de paso fino sin consumir todos los canales de enrutamiento. Las reglas cambian con ellos, porque el diámetro de la microvía, la plataforma de captura, el espesor del dieléctrico y el relleno de la vía dependen de la capacidad de perforación y revestimiento del láser en lugar de los valores predeterminados de una herramienta de diseño.

Los diseños de alta densidad también castigan la mala planificación. Mantenga el plano de referencia ininterrumpido debajo de la región de escape, llene y tape la vía en la almohadilla para un ensamblaje confiable y planche las vías térmicas debajo de los dispositivos de energía. Una placa HDI de dos capas y seis niveles muestra cuánta libertad de enrutamiento adquiere el derecho a través de estrategias.

PCB HDI de 2 capas y 6 niveles para interconexiones de alta densidad Una placa HDI de dos capas y seis niveles que utiliza microvías y líneas de 3 mil para admitir escape BGA de 0,3 mm y diseños compactos de alta frecuencia. Ver producto →

Errores de diseño que vemos con más frecuencia

Después de que suficientes tablas desnudas pasan por una fábrica, aparecen patrones. Estos son los que más tiempo cuestan a nuestros clientes.

• Muy pocas vías de tierra entre aviones, lo que aumenta la impedancia exactamente donde más importa.
• Serigrafía impresa sobre las almohadillas, lo que altera la deposición de pasta de soldadura.
• Los radios de alivio térmico son demasiado delgados para el peso de cobre que se solicita.
• Tamaños de perforación o anillos anulares por debajo de lo que la fábrica puede sostener de manera confiable.
• Cobre desequilibrado entre capas, que regresa más tarde como deformación del tablero.
• Congelar el diseño antes de una revisión de DFM y luego solicitar cambios después de que se hayan iniciado las herramientas.

Ninguno de estos es exótico y todos son económicos de arreglar durante el diseño.

Del tablero desnudo al producto ensamblado

El diseño no termina en el cobre. Si se va a ensamblar el tablero, la capa de pasta, los patios componentes y las almohadillas térmicas también son parte del diseño. Las aberturas de pasta deciden cuánta soldadura cae en una almohadilla, los patios deciden si la máquina de colocación puede colocar una boquilla entre las piezas y las almohadillas térmicas sin suficientes vías refluirán mal sin importar qué tan buena sea la plantilla. La mayoría de nuestros clientes nos utilizan para la fabricación y el montaje juntos, lo que permite comprobar ambos conjuntos de reglas antes de que comience la producción. La misma lógica se aplica a productos de consumo, energía, electrodomésticos, industriales, médicos, automotrices y militares, y puede ver las aplicaciones que construimos para para tener una idea del alcance.

El trabajo automotriz es un buen ejemplo: gestión de calidad certificada según IATF 16949, acabados sin plomo y un diseño que asume que la vibración y los ciclos térmicos son parte de la vida normal.

PCBA de iluminación LED para automóviles con confiabilidad AEC-Q100 Un tablero de iluminación automotriz de alta confiabilidad con resistencia térmica y a vibraciones, que admite funciones de conducción LED, luces altas adaptativas y señales de giro dinámicas. Ver producto →

Trabajar temprano con su socio de PCB

La mejora más económica en cualquier proceso de diseño es una conversación temprana con el fabricante. Antes de congelar el diseño, podemos confirmar los anchos mínimos de perforación y trazado, el espacio libre entre el cobre y el borde, el apilado y el acabado que planea pedir y si el tamaño de su panel está desperdiciando material. Revisar archivos es parte del trabajo diario de nuestros ingenieros y, con más de quince años de experiencia detrás de varios de ellos, tienden a detectar los detalles incómodos rápidamente.

La velocidad también importa, y conocer los números con anticipación facilita las compensaciones acumuladas. Un prototipo de doble cara puede dejarnos en 24 horas, los pedidos por lotes de una o dos caras normalmente se envían en seis a siete días, los pedidos de cuatro a ocho capas en nueve a veinte días y las construcciones HDI en aproximadamente veinticinco días.

Si toma algo de esta guía, sea el orden de las operaciones: ubicación, apilado, potencia, señales, comprobaciones. Los tableros construidos en esa secuencia son más fáciles de fabricar, más fáciles de ensamblar y más fáciles de aprobar para la producción. Si tiene un diseño en progreso y desea un segundo par de ojos antes de lanzar los Gerber, envíenos los archivos. Preferimos detectar un problema de autorización durante la revisión que en el piso de perforación.