+86 755 2734 8087
+86 755 2738 9663
7:30 AM - 7:30 PM
Monday to Saturday

Diseño de circuitos impresos: Guía esencial para principiantes

Aug 17, 2023 Uncategorized

En el mundo de la electrónica, el diseño de circuitos impresos (PCB, por sus siglas en inglés) juega un papel crucial en la creación y funcionalidad de dispositivos electrónicos. Estos circuitos impresos son placas que conectan y soportan componentes electrónicos utilizando vías conductoras, pistas y pads. El diseño adecuado de un PCB es esencial para garantizar la eficiencia y el rendimiento óptimo de un dispositivo electrónico.

El proceso de diseño de circuitos impresos comienza con la definición del esquemático electrónico, que es un mapa de las conexiones eléctricas entre los componentes. Luego, se seleccionan los componentes adecuados, teniendo en cuenta aspectos como el tamaño, el costo y las especificaciones técnicas. Posteriormente, se realiza el diseño del PCB en sí, considerando el tipo de material que se utilizará, el número de capas conductoras y, por supuesto, la disposición de los componentes en la placa.

Además de lo anterior, el diseño de PCB también involucra la consideración de ciertas restricciones y reglas, como la impedancia controlada y el espaciado entre pistas, para evitar interferencias electromagnéticas y garantizar la seguridad en el funcionamiento del dispositivo. Siguiendo estas pautas, un diseñador de PCB competente puede generar soluciones óptimas y confiables en el desarrollo de productos electrónicos.

Altium Designer Online
Altium Designer Online

Conceptos Básicos del Diseño de Circuitos Impresos

El diseño de circuitos impresos (PCB, por sus siglas en inglés) es fundamental en la creación y funcionamiento de dispositivos electrónicos. A continuación, se presentan dos subsecciones que abordan los aspectos básicos de los PCBs: los componentes electrónicos y las capas del PCB.

Componentes Electrónicos

Los componentes electrónicos son piezas esenciales que conforman un circuito impreso. Estos elementos permiten realizar funciones específicas y controlar el flujo de corriente en el circuito. Algunos de los componentes más comunes son:

  • Resistencias: Limitan el flujo de corriente en el circuito.
  • Capacitores: Almacenan y liberan energía eléctrica.
  • Diodos: Permiten el paso de corriente en una sola dirección.
  • Transistores: Pueden funcionar como interruptores o amplificadores de señales.

Capas de PCB

Las capas de un PCB se refieren al número de planos de cobre laminados en la placa. Estas capas pueden variar según la complejidad del diseño del circuito. Los tipos de PCB más comunes son:

  1. PCB de una sola capa: Contiene una capa de cobre laminada en un sustrato dieléctrico. Este tipo de PCB es más sencillo y económico, pero limita las opciones de diseño del circuito.

  2. PCB de doble capa: Compuesto por dos capas de cobre laminadas en ambos lados del sustrato dieléctrico. Este tipo de PCB permite una mayor complejidad en el diseño y una mejor distribución de componentes.

  3. PCB multicapa: Contiene más de dos capas de cobre laminadas en el sustrato dieléctrico. Estas placas pueden contener hasta 64 capas, lo cual permite diseños de alta complejidad y densidad de componentes.

Para garantizar la eficiencia y fiabilidad de un circuito impreso, es importante tener en cuenta los componentes electrónicos y las capas de PCB al diseñar un dispositivo electrónico.

Proceso de Diseño

Esquemático

El proceso de diseño de circuitos impresos comienza con la creación del esquemático. El esquemático es un diagrama que muestra las conexiones eléctricas entre los componentes del circuito. Para crear el esquemático, los diseñadores utilizan software de diseño asistido por computadora (CAD). Algunos ejemplos de programas de CAD populares son:

  • KiCad
  • Eagle
  • Altium Designer

Diseño de la Placa de Circuito

Una vez completado el esquemático, se procede al diseño de la placa del circuito impreso (PCB). El diseñador utiliza el esquemático como base para colocar los componentes en la placa y determinar las rutas de las pistas de cobre. Hay varios enfoques para realizar esto:

  1. Colocación de componentes: La ubicación de los componentes en la placa de circuito debe tener en cuenta factores como la proximidad a otras partes, el tamaño de la tarjeta y las consideraciones térmicas.
  2. Trazado de pistas: El diseñador debe considerar el ancho de las pistas, la distancia entre ellas y la forma en que se conectan a los componentes. También deben seguirse las guías de separación y evitar bucles de corriente.
  3. Vías y planos de tierra: Las planchas de tierra y las vías permiten la conexión de componentes en distintas capas de la placa.

Comprobación de Reglas de Diseño

Antes de enviar el diseño a producción, se realiza una comprobación de reglas de diseño (DRC) para garantizar que todos los criterios técnicos se cumplen, como las especificaciones de área y las restricciones eléctricas. Algunas reglas de diseño comunes incluyen:

  • Espaciado mínimo entre pistas
  • Ancho mínimo de las pistas
  • Espaciado mínimo entre componentes
  • Distancias mínimas al borde de la placa

El proceso de diseño del circuito impreso es fundamental para garantizar la funcionalidad y durabilidad del producto final. Seguir este proceso y las reglas de diseño asegura que los componentes, pistas y planchas de tierra trabajen juntos de manera eficiente y confiable.

Software de Diseño de Circuitos Impresos

El diseño y la fabricación de circuitos impresos (PCB) es un proceso complejo que requiere herramientas especializadas. Existen diversos programas de software de diseño de circuitos impresos disponibles. En esta sección, nos enfocaremos en tres opciones populares: Eagle, KiCad y Altium Designer.

Eagle

Eagle es un programa de diseño electrónico ampliamente utilizado y que ha existido desde la década de 1980. Fue adquirido por Autodesk en 2016, lo que ha llevado al desarrollo de nuevas características y mejoras en la herramienta. Eagle ofrece opciones de uso gratuito y pago, siendo esta última más apropiada para usos profesionales, ya que ofrece características avanzadas.

  • Fácil de aprender y de usar
  • Soporte para plugins (ULP)
  • Bibliotecas extensas de componentes

Sin embargo, Eagle tiene limitaciones en cuanto al tamaño de la placa y el número de capas en su versión de uso gratuito.

KiCad

KiCad es una suite de diseño de circuitos impresos de código abierto que permite a los usuarios diseñar y fabricar PCB sin restricciones. Ha ganado popularidad por ser gratuito y por contar con recursos y soporte de la comunidad.

  • Código abierto y gratuito
  • Sin limitaciones en cuanto a tamaño o capas
  • Herramientas para diseño 3D

A pesar de sus ventajas, puede tener una curva de aprendizaje más pronunciada debido a la falta de documentación completa, pero esto está siendo solucionado rápidamente gracias a la creciente comunidad.

Altium Designer

Altium Designer es un software de diseño de PCB altamente profesional y de alto rendimiento. Es utilizado ampliamente en la industria y tiene una gran cantidad de características que lo hacen ideal para proyectos complejos.

  • Soporte para esquemáticos jerárquicos
  • Integración con simulaciones y análisis
  • Excelente soporte técnico

El principal inconveniente de Altium Designer es su alto precio, pero esto se refleja en sus capacidades avanzadas y soporte completo en el proceso de diseño y fabricación de PCB. Es más adecuado para uso en proyectos de ingeniería profesional a gran escala.

Fabricación de Circuitos Impresos

Proceso de Fabricación

La fabricación de circuitos impresos sigue una serie de pasos:

  1. Diseño del circuito: Se utiliza un software de diseño asistido por computadora (CAD) para diseñar la disposición de las pistas de cobre y componentes del circuito.
  2. Creación de la película fotográfica: Se imprime la imagen del circuito en una película transparente.
  3. Preparación de la placa base: La placa base se compone de una lámina de cobre laminada sobre un sustrato de material aislante, como fibra de vidrio o resina epoxi.
  4. Transferencia del patrón a la placa: La película fotográfica se coloca sobre la placa base y se expone a la luz ultravioleta. Esto traslada el patrón de cobre a la placa.
  5. Grabado del cobre: Se sumerge la placa en una solución química que elimina el cobre no expuesto, dejando solo las pistas del circuito.
  6. Perforación: Se perforan agujeros en la placa en las ubicaciones designadas para los componentes.
  7. Montaje de componentes: Los componentes electrónicos se montan en la placa y se sueldan en su lugar.
  8. Inspección y prueba: Se comprueba la calidad de la soldadura y se verifica que el circuito funcione correctamente.

Materiales

Los materiales utilizados en la fabricación de circuitos impresos incluyen:

  • Sustratos: Fibra de vidrio, resina epoxi, polímeros de alta temperatura y cerámica.
  • Cobre: Láminas de cobre para las pistas del circuito.
  • Soldadura: Aleaciones de estaño-plomo o sin plomo.
  • Componentes electrónicos: Resistencias, condensadores, inductores, diodos, transistores, microcontroladores, etc.

Acabado de Superficie

El acabado de superficie es un proceso que protege las pistas de cobre y mejora la soldabilidad de los componentes. Algunos tipos de acabados incluyen:

  • Oro de inmersión (ENIG): Una capa fina de oro se deposita sobre el cobre mediante un proceso de inmersión.
  • Plata de inmersión (Ag): Una capa fina de plata se deposita sobre el cobre, proporcionando una buena soldabilidad.
  • Estaño de inmersión (Sn): Una capa de estaño se deposita sobre el cobre, lo que ayuda a prevenir la oxidación.
  • Níquel ennegrecido (ENEP): Una capa de níquel se aplica, seguida de una capa de paladio y una capa de oro ennegrecida.

Pruebas y Ensamble

Inspección Automática de Circuitos Impresos

La inspección automática de circuitos impresos (Automatic Optical Inspection, AOI) es una técnica clave en el proceso de diseño y fabricación de PCB. Utiliza sistemas ópticos y algoritmos de visión para detectar posibles defectos en la superficie del PCB. Algunos de los defectos comunes detectados incluyen:

  • Cortocircuitos
  • Fallos en la soldadura
  • Componentes incorrectos o mal colocados

Esta inspección permite corregir errores en las etapas tempranas de la producción, lo que minimiza el riesgo de fallos en el ensamblaje final y mejora la calidad del producto.

Soldadura y Montaje de Componentes

El proceso de soldadura y montaje de componentes es fundamental en el ensamblaje de PCBs. Existen diferentes técnicas, dependiendo de los componentes y el tipo de PCB. Algunas de las técnicas más comunes son:

  • Soldadura de ola: esta técnica es adecuada para PCBs de dos caras y componentes de orificio pasante. La PCB se sumerge en una ola de soldadura líquida, lo que garantiza una unión uniforme y sólida.

  • Soldadura por reflujo: esta técnica se utiliza con componentes de montaje superficial (SMD). Primero, se aplica una pasta de soldadura en las áreas de contacto y luego los componentes se colocan en posición. Finalmente, la PCB se calienta en un horno de reflujo para que la soldadura se funda y se una a los componentes.

  • Soldadura manual: en algunos casos, la soldadura manual es necesaria para componentes específicos o áreas de difícil acceso. Sin embargo, este proceso puede ser más lento y propenso a errores.

Independientemente del método utilizado, es necesario realizar inspecciones y pruebas posteriores al ensamblaje para garantizar la calidad y el correcto funcionamiento del circuito.

Tendencias y Tecnologías Emergentes

En los últimos años, el diseño de circuitos impresos (PCB) ha experimentado transformaciones significativas gracias a las nuevas tecnologías y tendencias del mercado. Entre estas, se destacan las siguientes:

  • Miniaturización: Los dispositivos electrónicos son cada vez más compactos, lo que demanda circuitos impresos de menor tamaño y mayor densidad de componentes. Esto ha dado lugar al uso de técnicas avanzadas, como microvías y componentes de montaje superficial (SMT).

  • Impresión 3D de PCB: La fabricación aditiva ha llegado al ámbito de los circuitos impresos, permitiendo la creación de PCBs personalizados con geometrías complejas. Esta tecnología, todavía en desarrollo, podría reducir costos y tiempos de producción en el futuro.

  • Materiales ecológicos: La creciente concienciación por el medio ambiente ha llevado a la búsqueda de materiales sostenibles para la fabricación de PCB. Estos incluyen laminados y recubrimientos biodegradables que minimizan el impacto ambiental.

  • Circuitos flexibles y plegables: La flexibilidad y el diseño plegable están cobrando importancia en sectores como la electrónica de consumo, permitiendo la creación de dispositivos cómodos y adaptables. Los PCB flexibles pueden fabricarse con diversos materiales, como poliimida, y utilizarse en aplicaciones que requieren alta resistencia al movimiento.

  • Inteligencia artificial y automatización: La implementación de algoritmos de inteligencia artificial y herramientas automáticas en el proceso de diseño de circuitos ha mejorado la eficiencia y reducido el riesgo de errores. Los software de diseño asistido por computadora (CAD) cada vez son más avanzados, permitiendo predecir y solucionar conflictos antes de la producción.

Estas son solo algunas de las tendencias y tecnologías emergentes en el campo del diseño de circuitos impresos, lo que demuestra un futuro prometedor y retador para los profesionales y empresas del sector.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *