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Guía definitiva para el diseño de circuitos impresos Pasos y conceptos básicos

diseño de circuitos impresos

La electrónica está en todas partes. Desde los juguetes hasta los smartphones, todos los aparatos electrónicos utilizan placas de circuito impreso (PCB). La industria de las placas de circuito impreso ha evolucionado para satisfacer la demanda de circuitos electrónicos complicados. Sólo arañaremos la superficie de la creación de circuitos impresos PCB, que podría llenar una biblioteca.

¿Qué es una placa de circuito impreso?

Un rígido hace que las trazas y planos metálicos produzcan circuitos eléctricos. Los circuitos eléctricos de una placa de circuito impreso incluyen componentes soldados en almohadillas metálicas. Esto permite enlazar los componentes. Las placas tienen muchas capas, como una, dos o más capas de circuitos.

Las placas de circuitos constan de un material dieléctrico de baja conductividad con capas metálicas y dieléctricas. Esto garantiza una conductividad adecuada. Las líneas de circuitos utilizan material de cobre como FR-4 es el material dieléctrico común para placas de circuitos.

Clase de placa

Las placas de circuito impreso se dividen en tres clases distintas: 1, 2 y 3. La fiabilidad y la calidad del diseño de la placa de circuito impreso indican su clase.

  • La electrónica de consumo entra en la categoría de placas de clase 1.
  • Las placas de clase 2 se utilizan en dispositivos en los que es deseable, pero no crítico, tener un alto nivel de fiabilidad. El objetivo de estos aparatos es reducir la probabilidad de mal funcionamiento.
  • Cuando se trata de placas de circuito impreso, la máxima calidad corresponde a las placas de clase 3. Si una placa de Clase 3, como las que se ven en los aviones, funciona mal, hay vidas humanas en peligro.

Diferentes tipos de placas de circuito impreso

Existen tres tipos principales: placas rígidas, flexibles y con núcleo metálico.

Muchas de las placas con las que trabaja un diseñador son rígidas. El diseño de la placa se esconde dentro de un sustrato rígido. Se fabrica teniendo en cuenta distintos factores, como una laminación de alto calor y alta presión. Aunque se suele utilizar FR-4, el material puede alterarse para mejorar características específicas.

Las placas flexibles se doblan más que las placas normales. Se siente como un rollo de película y es más fina que la placa rígida. Las placas flexibles pueden hacer posible la electrónica vestible al eliminar las restricciones planas de los dispositivos de placa rígida.

Las placas de circuito impreso con núcleo metálico sustituyen a las rígidas para alejar el calor de los circuitos críticos. Este método puede ayudar a evitar fallos térmicos en los dispositivos electrónicos de alta corriente.

Todos los sistemas regulados por campos electromagnéticos se basan en circuitos impresos. Las placas de circuito impreso no aparecen de la nada: requieren mucho trabajo técnico.

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El proceso de diseño de PCB

Es necesario diseñar una placa de circuito impreso antes de su construcción. El software de diseño asistido por ordenador (CAD) para placas de circuitos impresos lo hace posible. El esquema captura los diagramas de conectividad de los circuitos. El diseño de la placa de circuito impreso construye la placa de circuito física. Estas dos son las principales consideraciones de diseño de PCB.

Desarrollo de las piezas de biblioteca CAD 

En primer lugar, cree las piezas de la biblioteca CAD. Los símbolos esquemáticos, los modelos de simulación, las huellas de diseño de PCB y los esquemas de visualización son las partes. Después de terminar las bibliotecas, construir un diagrama de circuito lógico. Las herramientas CAD conectan los símbolos de las hojas esquemáticas.

La simulación del circuito garantiza el funcionamiento de los componentes eléctricos del diseño. Tras estos procesos, las herramientas esquemáticas proporcionarán a las herramientas de diseño información sobre la conectividad.

Diseño de la disposición

En el diseño de PCB, las redes conectan dos o más patillas de componentes. Los diseñadores utilizan un boceto en pantalla de la placa final para organizar las huellas de los componentes. Una vez optimizadas estas porciones, se dibujan las trazas y los planos de los pines. Las reglas de diseño de las herramientas CAD regularán las anchuras y los espacios. Los trazos de una red no pueden cruzarse con los de otra. Tras el trazado, las herramientas de diseño generan planos de fabricación y archivos de salida.

El diseño y la construcción de una placa de circuito incluye el diseño esquemático y la simulación, la rejilla de diseño de PCB y la configuración DRC, la colocación de componentes, el enrutamiento de PCB, los planos de potencia, el montaje de la lista de materiales y la fabricación de la placa. El diseño dará prioridad a estos procedimientos.

¿Cómo diseñar una placa de circuito impreso?

Aunque el diseño y la producción de un circuito impreso pueden dividirse en las categorías generales de montaje, fabricación y diseño de circuitos impresos, el meollo de cada proceso es bastante complejo. En esta sección se examinarán algunos de los puntos más delicados de cada uno de estos procedimientos.

1.     Creación de esquemas

Comenzar el diseño de la placa en herramientas CAD requiere completar los diseños de las piezas de la biblioteca. El diseño de un producto requiere símbolos lógicos para las resistencias, condensadores, inductores y conectores.

Estos componentes se colocan primero en hojas esquemáticas utilizando software CAD. Una vez colocados los componentes de forma aproximada, los cables pueden unir los terminales de los símbolos esquemáticos. Cada circuito de memoria o datos tiene una o más “redes” que conectan los nodos. La captura esquemática requiere reposicionar los componentes del proceso para mayor claridad.

2.     Simulación de circuitos

Una vez colocados los componentes y conexiones del circuito, se procede a su comprobación. La confirmación se hace con el uso de SPICE, un programa de simulación de circuitos. Los ingenieros pueden probar sus circuitos con este tipo de herramientas antes del hardware físico. Estas herramientas son cruciales para el proceso de diseño de PCB por el tiempo y dinero que pueden ahorrar.

3.     Configuración de herramientas CAD

Cada herramienta de diseño tiene sus características y capacidades únicas para los diseñadores de PCB. Directrices de diseño que evitan el solapamiento de redes y proporcionan espaciado entre componentes. El diseño de rejillas es una de las diversas técnicas que utilizan los diseñadores para organizar los componentes y enrutar las trazas.

4.     Componentes de diseño

La disposición de la placa de circuito sigue la base de datos de diseño y los datos de conectividad de red del esquema. En primer lugar, ordena las huellas de los componentes en la placa CAD de acuerdo con su contorno. Cuando el diseñador hace clic en la huella, aparece una “línea fantasma” visual que muestra las conexiones de red. Los diseñadores experimentados tendrán en cuenta la conectividad, los puntos calientes, el ruido eléctrico y los impedimentos físicos. Por ejemplo, los cables, conectores y accesorios de montaje organizan estos componentes para un rendimiento óptimo. Más allá de los requisitos del circuito, las restricciones de diseño incluyen cómo el fabricante incorporará los componentes.

5.     Enrutar la PCB

Ahora que todo está en su sitio (aunque puede reorganizarse si es necesario), es hora de conectar las redes. Para ello, los enlaces de la red de bandas elásticas se transforman en líneas y planos sobre el papel. Esto es posible gracias a la plétora de herramientas disponibles en los programas de CAD, entre las que se incluyen funciones automatizadas de enrutamiento que reducen considerablemente el tiempo de diseño. Hay que extremar las precauciones durante el encaminamiento para garantizar que las redes tengan la longitud adecuada para las señales que transportan y que no tengan regiones de paso ruidosas. Como resultado, la placa fabricada puede experimentar una degradación del rendimiento debido a la diafonía u otros problemas de integridad de la señal.

6.     Crear una ruta de retorno de la placa de circuito impreso despejada

Los circuitos integrados (CI) y otros componentes activos de la placa suelen requerir una conexión a una red de alimentación y de tierra. Crear planos sólidos a los que puedan acceder estas piezas es tan sencillo como inundar una zona o capa. Sin embargo, no es tan fácil como parece construir planos de alimentación y tierra. Estos planos también son responsables de la tarea crucial de devolver las señales que se han enviado a lo largo de una traza. Además, es posible que estas vías de retorno generen mucho ruido y reduzcan el rendimiento de la PCB si los planos tienen un número excesivo de agujeros, recortes o divisiones.

7.     Comprobación final

Su diseño de PCB estará completo una vez que haya completado la colocación de los componentes, el trazado de las pistas y los planos de potencia y tierra. A continuación, diseñe los distintos textos y marcadores que se serigrafiarán en las capas exteriores, así como realice una comprobación final de las reglas. Marcar la placa con elementos como nombres, fechas e información sobre derechos de autor ayudará a los demás a localizar los componentes. Simultáneamente, deben elaborarse planos de fabricación para su uso en el montaje y la fabricación de circuitos impresos. Las herramientas utilizadas por los diseñadores de PCB también les ayudan a calcular cuánto costará fabricar la placa.


Diseñar la placa de circuito

El siguiente paso es enviar los archivos de datos de salida a un centro de fabricación, ya que la placa está lista para su producción. Al comprimir las distintas capas metálicas una vez grabadas con trazas y planos, se obtiene una placa desnuda apta para el montaje.
En el lugar de montaje se llevan a cabo diversos procedimientos de soldadura en la placa para fijar los distintos componentes. A continuación, la placa completa se somete a pruebas de control de calidad antes de ser embalada y enviada.

8 reglas de oro del diseño de circuitos impresos

A pesar de la creciente disponibilidad de placas de desarrollo y sistemas en chip potentes y listos para usar para un número cada vez mayor de aplicaciones, muchos casos de uso en dispositivos electrónicos siguen requiriendo un mayor nivel de integración de semiconductores.

Sin embargo, para este tipo de aplicaciones sigue siendo necesaria una placa de circuito impreso personalizada. Cuando se trata de un desarrollo puntual, incluso una simple placa de circuito impreso puede desempeñar un papel crucial. En la creación de nuevos sistemas electrónicos, la placa de circuito impreso (PCB) es el componente más adaptable y la base física del diseño.

Existen diferentes reglas como

1.     Conjunto de rejilla correcto

Aunque la multirejilla parezca funcional, los ingenieros pueden evitar el ajuste de intervalos. Además, pueden maximizar las aplicaciones de la placa diseñando un circuito especial. Los ingenieros deben elegir el producto que mejor se adapte a ellos, como Polygon es esencial para el cobre PCB. El cobre poligonal de las placas de circuito multirejilla suele llenar esta geometría. Es más raro que los diseños de rejilla única, pero puede aguantar más tiempo que las placas de circuito.

2.     La ruta más rápida y directa

Esto puede parecer una obviedad, pero debe tenerse en cuenta en cada paso, hasta el rediseño de la placa de circuito para acortar los cables.

3.     Uso de la capa de potencia

La mayoría de los programas de diseño de PCB favorecen el cobre de la capa de potencia porque es más rápido y fácil de trabajar. Se puede suministrar la corriente más eficiente con la menor cantidad de resistencia o caída de tensión con suficientes vías de retorno a tierra aseguradas mediante la conexión de un gran número de cables en paralelo.

4.     Imposición de la placa de circuito impreso 

Elegir un tamaño que funcione bien con la maquinaria del fabricante es una forma de reducir el precio de los prototipos y la producción en serie. Antes de intentar duplicar tu diseño varias veces dentro de estos tamaños de panel, deberías llevar a cabo el diseño de la placa de circuito en el panel y, a continuación, ponerte en contacto con el fabricante de la placa de circuito para obtener sus criterios de tamaño recomendados para cada panel.

5.     Integración de valores de componentes 

Para conseguir el mismo resultado, un diseñador puede optar por un componente discreto con un valor de componente mayor o menor. La lista de materiales puede simplificarse y los gastos reducirse integrando en un rango de valores estándar más pequeño. Tomar la decisión de gestión de inventario correcta a largo plazo es más fácil si se dispone de una serie de bienes PCB basados en el valor del componente seleccionado.

6.     Comprobación de reglas de diseño 

Puede que la función DRC del software de PCB sólo tarde unos segundos en ejecutarse, pero puede ahorrar mucho tiempo a largo plazo si revisa regularmente su trabajo sobre la marcha, especialmente en un entorno de diseño más complejo. Mantener esta práctica es muy recomendable.

7.     La adaptabilidad de la serigrafía

La impresión serigráfica ayuda a distintos profesionales, como fabricantes de placas de circuitos, instaladores y depuradores de equipos, con información vital en las etiquetas. Los comentarios pueden indicar la alineación de componentes y conectores, además de marcar la funcionalidad de la placa de circuito y los puntos de prueba. La serigrafía reduce el trabajo manual y acelera el montaje.

8.     Parámetros de fabricación de placas de circuito impreso

Para minimizar la confusión, produzca usted mismo el archivo Gerber y utilice un visor gratuito para verificarlo. La mayoría de los fabricantes de placas de circuito impreso lo descargarán y verificarán por usted. La verificación personal hace diferentes cosas como revelar errores irresponsables, previniendo pérdidas por parámetros de fabricación incorrectos.

Los mejores programas de diseño de circuitos impresos

1.     Eagle

El diseño denominado Eagle fue desarrollado por la empresa alemana CadSoft Computer GmbH, creada por Rudolf Hofer y Klaus-Peter Schmidiger. La empresa también ha sido adquirida por diferentes marcas. Entre ellas se encuentran Farnell y Autodesk. Es un editor flexible para el diseño de PCB y prototipos.  

Características 

Hay muchas especificaciones y características sorprendentes, tales como:

Editor de diagramas, que es útil en diferentes cosas como una biblioteca, reglas eléctricas, y la generación de una lista de interconexión que hace que todos los procesos más fácil. 
Permite la anotación sin fisuras de los cambios entre el diagrama y el PCB.
Jerarquía de diagramas que permite una mejor comprensión. 
Ofrece diagramas Layout con características avanzadas. 

2.     Altium

El antiguo nombre de Altium era Protel Systems. La empresa tiene su sede en Australia. Es un software supremo para diseñar y compilar diferentes modelos de PCB para clientes y otras empresas. La empresa también presume de una enorme base de consumidores con 5000-6000 usuarios cada año. 

Características 

Hay muchas especificaciones y características sorprendentes, tales como:

  • Permite diferentes características como un Entorno de diseño con diagramas, enrutamiento de diseño, documentación y simulación para atractivos diseños de PCB. 
  • Diseño para fabricación (DFM) que garantiza que sus diseños de PCB sean funcionales, fiables y fáciles de producir.
  • Permite diferentes herramientas de conversión de datos para facilitar la migración de datos. 
  • Ofrece diseño rígido-flexible en 3D.
  • Facilita el diseño de circuitos impresos.
  • También puede funcionar para diseños de diagramas.
  • Permite la salida de archivos de producción también.

3.     Proteus

CAD es de Proteus electronics y fue desarrollado por Labcenter Electronics Ltd.. El CEO de esta empresa es John Jameson. La empresa opera desde el Reino Unido. También tiene contactos comerciales en 50 países y más. 

Características 

Hay muchas especificaciones destacadas, tales como:

  • El software permite dos programas de software principales, que son útiles de muchas maneras. 
  • Proteus ISI: Ofrece creación de diagramas y simulación eléctrica de forma sencilla.
  • Proteus ARES: IT permite soluciones de enrutamiento de circuitos impresos con posicionamiento automático de componentes, que es un proceso rápido debido a su funcionamiento. 


 4.     DesignSpark

DesignSpark predica un programa de software CAD electrónico que ha sido desarrollado por el trabajo en equipo de RS Components y el desarrollador de software Number One Systems.

Características 

Hay muchas especificaciones sorprendentes, tales como:

  • Ofrece la introducción de diagramas sin complicaciones técnicas. 
  • El enrutamiento y el posicionamiento automático de componentes son más fáciles con esta herramienta. 
  • Interfaz de proyecto para organizar archivos de diseño que no confunden al usuario.
  • Visor 3D, que representa una única vista desde diferentes ángulos. 
  • Por último, generación de archivos de perforación Gerber y Excellon para facilitar aún más las cosas. 

5.     Protel

Como se ha dicho antes, Protel es la versión antigua de Altium. Los atributos y funciones de Protel son variables. Esto significa que dependen de las necesidades y ambiciones de los diferentes usuarios. 

  • La última versión es demasiado cara, inaccesible para muchos usuarios. 
  • No hay suficientes novedades que justifiquen la actualización, lo que no lo convierte en un software PCB actualizado. 
  • No es fácil de usar 
  • Dificultades a las que se enfrentan algunos usuarios, como el uso de la nueva interfaz gráfica.
  • Por último, Design-Rule-Check para eliminar cualquier fallo o error técnico. 

6.     PADS PCB

PADS es desarrollado por CADLOG, que es un software PCB eficaz para el uso rápido y eficiente y el diseño de PCB. La empresa tiene su sede en Italia. Hay muchos atributos de este también a gustar. 

Características 

Hay muchas especificaciones y características sorprendentes, tales como:

  • Entrada de diagramas fácil e impecable.
  • Las bibliotecas de componentes incluyen la integración ParQuest y la integración Digikey. 
  • Reglas de proyecto para una fácil determinación de las diferentes funciones en el software. 
  • Topología de PCB, que ofrece un enrutamiento potente e interactivo, comprobaciones DFM y DFT, y módulos RF. 
  • La gestión de archivos vuelve a ser una característica atractiva de la herramienta. 
Prototipo de PCB de alta calidad

Preguntas más frecuentes

¿Cómo se diseña un circuito impreso?

Un circuito impreso es un tipo especial de placa de circuito que contiene todos los componentes en superficies metálicas, es decir, trazas. Los componentes de la placa de circuito impreso se encuentran en la PCB con una máscara de soldadura en la capa de almohadillas metálicas. Esto mantiene los componentes intactos y también en un solo lugar. 

¿Es AutoCAD útil para el diseño de PCB?

El diseñador de PCB AutoCAD es una de las herramientas más útiles en este campo. También ayuda en campos como la ingeniería eléctrica o mecánica. Sin embargo, en algunos casos, estas herramientas se limitan a los requisitos funcionales para la fabricación de aparatos y componentes electrónicos basados en la tecnología y muy avanzados. Por eso es mejor utilizar herramientas ECAD en lugar del software de diseño de PCB AutoCAD.

¿Qué material es mejor para las placas de circuito impreso?

Las placas de circuito impreso (PCB) tienen un aspecto plano. El material de fabricación es una especie de compuesto que se obtiene a partir de distintos materiales, como materiales de sustrato no conductores. Los fabricantes las empaquetan con diferentes cosas, como capas de cobre, que estabilizan las interconexiones de la electricidad en todos los sentidos.  

Veredicto final

Los PCB pueden ser disfuncionales debido a defectos técnicos como resistencias de fuga, caídas de tensión IR en las láminas de traza, Vias y planos de tierra, y la influencia de la capacitancia parásita y la absorción dieléctrica (DA). Es muy probable que los PCB absorban humedad debido a los cambios climáticos. 

La puesta a tierra es un concepto amplio que se incluye en este debate. Es el tema que da pie a los diseños analógicos y de señal mixta. Hay atributos excepcionales de los PCB, que son la estabilidad térmica, la resistencia a la oxidación, los ácidos, las bases y otros agentes químicos como los álcalis. 

Se está experimentando para inculcar características adicionales como excelentes propiedades dieléctricas, insolubilidad en agua, capacidad de soldadura, fiabilidad y menor riesgo de intrusión de humedad.

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