Jaled Moustafá
CTO Siali
Jaled Moustafá
CTO Siali

Diseño de la PCB I

por | Jul 9, 2018 | Electrónica, PCB

“Un cliente puede tener su automóvil del color que desee, siempre y cuando desee que sea negro”

Henry Ford

La colocación de los componentes es la fase más importante durante el diseño, que afecta en gran medida al layout de la placa y su comportamiento. Al importar el netlist al circuito aparecerán de golpe todos los componentes con cientos de líneas blancas (ratnest). Como siempre, si dividimos el problema en partes y vamos paso a paso, todo es más fácil.

Lo primero es cargar los parámetros de la hoja del fabricante a la sección “Reglas de diseño”, y el número de capas que vamos a utilizar. Así, el programa evitará que las sobrepasemos en algún momento, por ejemplo, juntando demasiado dos pistas. Recuerda que es mejor no trabajar al borde de las especificaciones. Si no prevemos problemas de espacio, podemos definir distintos anchos de pistas, trabajando un poco por encima cuando nos lo podamos permitir. Deja algo de margen entre ellas para realizar ajustes rápidos. Cuando todas tengan su sitio, podrás juntarlas.

El siguiente paso es ajustar el tamaño de cuadrícula. Algunos lo ponen al mínimo pensando que ganan precisión, pero al poner los componentes en filas y columnas solo se consigue que queden ligeramente desalineados, e ir más lento. Con componentes de gran tamaño e ICs podemos usar cuadrículas de 1,27 mm, y 0,5 mm para resistencias y condensadores, por ejemplo. Para las pistas deberíamos utilizar una cuadrícula de la mitad de la distancia entre pines o menor, para que podamos atravesarlos, en nuestro caso, mínimo 0,635 mm.

Hay que tener cuidado con la distancia entre pines de nuestros componentes, sobretodo cuando algunos de ellos se basan en el sistema imperial (milésimas de pulgada, o mil), y otros en el sistema internacional (milímetros). Vigila que la cuadrícula seleccionada deje todos los pines accesibles.

Ya podemos posicionar los componentes. Recuerda que en el anterior paso dividimos el circuito en módulos, trabajando en distintas hojas. A la hora de hacer el layout también deberías trabajar cada sección del circuito por separado, y juntarlas una vez listas.

Marcamos el área de la placa, si aún no conocemos su forma exacta, al menos un cuadrado aproximado, para hacernos una idea del espacio que disponemos. Empezamos por aquellos que tengan restricciones mecánicas, como los tornillos de montaje, los leds indicadores etc. Continuamos con los componentes más críticos por velocidad, tamaño o potencia, que suelen ser microcontroladores, fpgas, memorias o cristales.  Al terminar, situaremos en torno a ellos las resistencias, condensadores y demás elementos auxiliares.

Posicionamiento inicial. El borde y los agujeros de montaje marcan los límites. Los conectores y la antena del módulo wifi deben estar siempre en los bordes.Todos los diodos tienen la misma dirección.

La orientación de los componentes se suele hacer con giros de 90º, aunque los ICs en ocasiones se posicionan a 45º si la soldadura va a ser por baño de ola, a fin de evitar cortocircuitos y efecto sombra (de los métodos de soldadura y sus efectos hablaremos en otro artículo). Los componentes polares, como diodos, condensadores electrolíticos, o ICs deberían estar alineados, y ha ser posible en filas o columnas, así también las resistencias, siempre que esto no empeore el comportamiento eléctrico de la placa.

Si pones componentes en ambas caras, la placa deberá pasar dos veces por la línea de montaje, e incluso por una máquina de pegamento. Esto puede doblar en ocasiones el coste de ensamblaje. Hay técnicas para evitar esto, pero si puedes, no montes en ambas caras.

Ahora ya podemos empezar a rutear los componentes de cada módulo, empezando por las pistas críticas, de alta frecuencia o potencia. Si tu software te deja pintarlas con un color distinto, para tenerlas siempre identificadas, mejor. Y aún más importante, tener definido sus características resistivas, capacitivas, e inductivas, así como la corriente máxima que pueden transportar. Intenta trabajar con pistas de un solo tramo. Así es mucho más rápido modificar o borrar cualquier sección. Cuando todos los módulos estén ruteados, los colocamos en sus posiciones finales, y trazamos las líneas que los unen. Si tenemos un circuito muy pequeño y denso, quizá tengamos que ajustar algunos componentes en este último paso, para que todo encaje en menor espacio. Así que no optimices antes de tiempo, y prepárate para los cambios.

Tras varias modificaciones y pruebas, esta es la disposición final. Varios componentes han cambiado orientación y posición. Hemos añadido también marcas identificativas y el logo por ambas caras.

Te encontrarás con muchas pistas que se cruzan, y que puedes llevar a otra capa con una vía. En ocasiones, tienes libertad para cambiar las conexiones de los pines en el esquema eléctrico. Al importar de nuevo el netlist verás que puedes tirar las pistas directamente. Si bien esto lleva más tiempo, es mucho más limpio, y merece la pena. También puedes usar las patillas de componentes THT como vías, para reducir su número.

Si la placa tiene 4 caras o mas, ojo con su distribución. Lo más habitual es usar las dos capas internas para la alimentación y la cara superior e inferior para las señales. Sino fuera así, no tendrías acceso a ellas para mediciones o modificaciones. Utiliza vías normales para unir capas. Las vías enterradas y ciegas aumentan bastante el coste, así que evitalás a menos que sean necesarias.

Es muy común evitar ángulos de 90º o menores en los codos de las pistas, mediante un chaflán. Durante mucho tiempo se pensó que esto evitaba el deterioro de la señal por la pista, pero hay bastantes estudios que indican que prácticamente no tiene ningún efecto. Aun así, muchos seguimos la tradición, porque nos resulta visualmente más aceptable, y porque no te señalen raro otros diseñadores. Pero quería desmitificar esto.

Una vez acabadas todas las pistas, pégale un repaso a cada conexión del layout. Si ves algún pin sin conectar, ve al esquema eléctrico y comprueba si tenía alguna marca de “no connect” o ha sido un fallo. De esta forma podemos solucionar cualquier fallo que se nos escapara en el esquema eléctrico.

Por último, ubica el origen de coordenadas en algún punto de tu circuito. Este servirá como referencia para las distancias y la posición de los agujeros.
Ya podemos exportar las capas exigidas por el fabricante a Gerber. Es recomendable pasar los archivos de salida por un visualizador, para estar seguros que no hay ningún error. Kicad incorpora uno, pero también tenemos otros gratuitos en internet.

La placa se descompone en varios archivos gerbers, que describen los agujeros, capas, o bordes. Todas ellas se pueden inspeccionar por separado con el visor de gerbers, en busca de errores.

Por último, desconfía de los autorouters.  En programas más potentes, pueden llegar a obtener buenos resultados si dedicas tiempo a ajustar los parámetros, y si trabajas en zonas específicas. Pero si piensas que no sabes diseñar y un ordenador lo puede hacer por ti, siento decirte que el ordenador trazará las pistas entre dos puntos sin criterio. Aunque a veces puedes dejar un intento para ver cómo resuelve una sección que te  cueste, y retocar lo necesario. Pero siempre sabiendo lo que haces. El autorouter no es un ingeniero. Ojalá.

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