PCB Diseño: Guía esencial para principiantes en 2023

El diseño de PCB (Placas de Circuito Impreso) es un proceso esencial en la creación de circuitos electrónicos y un componente clave en la industria de la electrónica. Este proceso involucra la disposición de componentes electrónicos sobre una placa y la conexión de estos a través de pistas conductoras para formar un circuito funcional. El diseño adecuado de PCB puede brindar un rendimiento óptimo de los dispositivos electrónicos y garantizar su eficiencia y durabilidad.

En la actualidad, el diseño de PCB se ha vuelto más complejo debido a la miniaturización de componentes y la demanda de dispositivos electrónicos de alto rendimiento. Para abordar estos desafíos, los ingenieros y diseñadores de PCB emplean software especializado y técnicas avanzadas de diseño, enfocándose en aspectos como la selección de materiales, el enrutamiento de señales y la gestión térmica.

El desarrollo de habilidades en el diseño de PCB es fundamental para los profesionales de la electrónica, ya que esto permite la innovación y mejora en dispositivos y sistemas. Entender las mejores prácticas y las tendencias actuales en el campo contribuye a la eficiencia en la elaboración de prototipos, facilita la colaboración con otros especialistas y asegura la calidad del producto final.

Conceptos Básicos de PCB Diseño

Capas y Materiales

Las placas de circuito impreso (PCB) están formadas por varias capas de materiales que incluyen el substrato de dielectrico, generalmente FR4, y cobre en ambas caras para crear las conexiones eléctricas. Existen placas de varias capas que pueden tener desde 2 a más de 32 capas, para lograr mayor densidad y complejidad en el diseño. Para decidir cuantas capas utilizar en un diseño, es necesario considerar el tipo de aplicación, costo y, principalmente, la densidad de componentes y señales.

Trazas y Vías

Las trazas son las líneas de cobre dentro de las placas PCB que se utilizan para transmitir señales eléctricas entre los componentes. Su ancho, espacio y configuración pueden variar según las necesidades y normativas, y es esencial elegirlos correctamente para garantizar la integridad del diseño eléctrico. Por otro lado, las vías son perforaciones utilizadas para conectar las trazas de distintas capas. Las vías se clasifican en:

• Vías a través (through-hole)
• Vías ciegas (blind via)
• Vías enterradas (buried via)

Todos estos tipos de vías cumplen funciones distintas, y su selección dependerá del diseño principalmente.

Zonas de Cobre

Las zonas de cobre son áreas continuas en la PCB utilizadas para distribuir potencia o conexión a tierra en los circuitos. Estas áreas tienen diferentes formas y tamaños según las necesidades del diseño. Se puede utilizar un enfoque de plano de tierra o plano de potencia para optimizar la distribución de voltajes y minimizar ruido e interferencias electromagnéticas. En general, es deseable tener una distribución uniforme de las zonas de cobre para evitar problemas como el calentamiento excesivo y la distorsión de las señales.

Principios de Diseño de PCB

Distribución de Componentes

Al diseñar una PCB, uno de los primeros aspectos a tener en cuenta es la distribución de los componentes. Es fundamental ubicar los componentes de manera eficiente y lógica, teniendo en cuenta su función y relación con otros componentes del circuito.

• Agrupar componentes que tengan funciones similares o que estén relacionados entre sí.
• Evitar que componentes de gran tamaño obstruyan el ruteo de trazas.
• Utilizar una cuadrícula de referencia para facilitar el posicionamiento de los componentes y para mantener una separación adecuada entre ellos.

Ruteo de Trazas

El ruteo de trazas es uno de los aspectos más importantes en el diseño de PCB, ya que es el responsable de conectar los componentes de forma correcta y establecer el flujo de señales eléctricas.

• Determinar la dirección y prioridades de las trazas de acuerdo a su función.
• Minimizar la longitud de las trazas para reducir la pérdida de señal y la susceptibilidad a interferencias electromagnéticas.
• Usar trazas más anchas para rutas de mayor corriente, y trazas delgadas para las de menor corriente.
• Optimizar el uso de las capas de la PCB para mejorar el rendimiento y reducir el tamaño.

Consideraciones de Alimentación y Masa

El suministro de energía y la conexión a tierra son aspectos fundamentales para el correcto funcionamiento de una PCB. Por ello, es necesario tomar en cuenta estas consideraciones durante el proceso de diseño.

• Asignar áreas específicas en la PCB para las conexiones de alimentación y tierra.
• Utilizar planos sólidos de alimentación y tierra para mejorar la distribución de corriente y reducir el ruido.
• Conectar los puntos de tierra de los componentes con trazas lo más cortas y anchas posibles.
• Establecer una jerarquía de alimentación y tierra, conectando los componentes en base a su nivel de prioridad.

Diseño para Manufactura (DFM)

Tolerancias y Espaciados

En el diseño para manufactura (DFM), se deben considerar las tolerancias y espaciados para garantizar la calidad y la durabilidad de la placa de circuito impreso (PCB). Algunos aspectos clave a tener en cuenta son:

• Distancia entre pistas: Evitar que las pistas estén demasiado juntas para minimizar la posibilidad de cortocircuitos.

• Espacio mínimo entre componentes: Dejar espacio suficiente entre ellos para facilitar el ensamblaje y la soldadura.

• Zonas térmicas: Diseñar el PCB de manera que distribuya el calor uniformemente en la superficie, evitando concentraciones en una sola área.

Algunas recomendaciones de tolerancias y espaciados son:

Creación de Paneles

La creación de paneles es una técnica en la que se agrupan varios PCBs en un solo panel, lo que facilita y agiliza su manufactura. Para optimizar este proceso, es importante tener en cuenta algunos aspectos durante el diseño:

1. Diseño de panel: Asegurarse de que el tamaño del panel permita un uso eficiente del material y facilite la manipulación durante el proceso de ensamblaje.

2. Colocación de componentes: Agruparlos de manera eficiente para aprovechar el espacio en el panel y reducir el tiempo de ensamblaje.

3. Marcas fiduciales: Incluir marcas fiduciales en el panel para ayudar a las máquinas de ensamblaje a ubicar y orientar correctamente los componentes.

4. Puntos de ruptura: Diseñar puntos de ruptura (también conocidos como “tab-route” o “V-groove”) para facilitar el proceso de separación de los PCBs individuales una vez ensamblados.

Herramientas de Diseño de PCB

Software de Diseño

El diseño de PCB (Printed Circuit Board) requiere el uso de software específico para la creación de esquemas y el diseño de las placas. Algunos de los programas más populares y utilizados en la industria son:

• Altium Designer
• Eagle
• KiCad
• OrCAD
• Proteus

Estos programas proporcionan una amplia gama de funciones y herramientas que facilitan la creación de diseños de PCB tanto en 2D como en 3D. Algunas de las funciones incluidas son: la creación y edición de esquemas, enrutamiento automático y manual, y la generación de archivos Gerber para la fabricación de PCB.

Simulación y Validación

La simulación y validación es un paso esencial en el proceso de diseño de PCB para garantizar que el circuito funcione según lo previsto antes de pasar a la fabricación. Estas herramientas de simulación permiten a los diseñadores identificar posibles problemas y optimizar la disposición y funcionalidad del circuito.

Algunas de las herramientas de simulación y validación más utilizadas son:

• LTspice
• PSpice
• Multisim
• TINA-TI

Estas herramientas permiten simular el comportamiento del circuito en distintas condiciones y analizar su desempeño a lo largo del tiempo. También es posible validar la integridad de la señal y realizar pruebas térmicas para asegurar un diseño optimizado y confiable.

En resumen, el diseño de PCB es un proceso que requiere el uso de software especializado y herramientas de simulación y validación. Los programas mencionados anteriormente son ampliamente utilizados en la industria y proporcionan una gran variedad de características que facilitan la creación, optimización y validación de diseños de circuitos impresos.

Normativas y Estándares

Existen diversas normativas y estándares que deben ser cumplidos en el diseño de PCB (Printed Circuit Board). Estas regulaciones garantizan la calidad, seguridad y compatibilidad del producto en la industria electrónica.

Certificaciones y Homologaciones

Algunas de las certificaciones y homologaciones más importantes en el ámbito de diseño de PCB son:

• IPC: La Asociación de Conexión que Interconecta la Industria Electrónica (IPC, por sus siglas en inglés) es una organización que establece estándares globales para la fabricación y el ensamblaje de PCB. Entre estos se encuentran IPC-2221 (Diseño Genérico de PCB) y IPC-A-600 (Aceptabilidad de las PCB).

• UL: Underwriters Laboratories (UL) es una empresa de certificación de seguridad que realiza pruebas y desarrolla estándares para productos electrónicos. La homologación UL garantiza que el producto cumple con las normas de seguridad aplicables.

• RoHS: La Directiva de Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS, por sus siglas en inglés) de la Unión Europea regula el uso de ciertas sustancias peligrosas en aparatos eléctricos y electrónicos, incluyendo las PCB. Los productos RoHS cumplen con límites específicos en cuanto a la presencia de sustancias como el plomo, el mercurio y el cadmio.

• REACH: REACH es una normativa de la Unión Europea para gestionar y controlar los riesgos asociados a la producción y uso de sustancias químicas. Los fabricantes de PCB deben cumplir con esta regulación para garantizar la seguridad y protección del medio ambiente.

La consideración de estas certificaciones y homologaciones durante el diseño de una PCB asegura que el producto final cumpla con las normas de calidad y seguridad requeridas por la industria electrónica.