¿Qué es el diseño PCB? El diseño PCB se refiere al diseño de placas de circuito impreso. El diseño de placas de circuito se basa en esquemas de circuitos para hacer realidad la funcionalidad requerida por el diseñador de circuitos. El diseño PCB constituye el proceso de construcción del marco físico de los productos electrónicos, transformando diagramas de circuitos abstractos en diseños de placas físicas fabricables que influyen directamente en el rendimiento, el coste y la fiabilidad de los dispositivos.
El diseño PCB se centra principalmente en el diseño de la disposición, lo que requiere tener en cuenta la disposición de las conexiones externas, la colocación optimizada de los componentes electrónicos internos, el trazado eficiente de las pistas metálicas y las vías, el blindaje electromagnético, la disipación térmica y otros factores diversos. Un diseño de disposición excelente puede reducir los costes de producción y, al mismo tiempo, lograr un rendimiento superior del circuito y una mejor disipación del calor. Las disposiciones simples pueden realizarse manualmente, mientras que los diseños complejos requieren software de diseño asistido por ordenador (CAD).
La calidad de una PCB determina directamente el éxito o el fracaso de un producto electrónico, por lo que es fundamental contar con un proceso de diseño de PCB sólido. Muchos ingenieros creen erróneamente que el diseño PCB consiste simplemente en disponer los componentes y conectar sus pines. Se trata de una perspectiva limitada; un proceso de diseño PCB robusto comienza durante el diseño esquemático y abarca decisiones como la selección de soluciones adecuadas y componentes electrónicos apropiados.
El proceso abarca específicamente: diseño esquemático; exportación e importación de listas de redes esquemáticas; importación de dibujos mecánicos; diseño y edición de apilamientos; presimulación para la integridad de la señal (SI) y la integridad de la potencia (PI); diseño PCB; importación de reglas de restricción de diseño; enrutamiento de PCB; posimulación para la integridad de la señal (SI), la integridad de la potencia (PI), la compatibilidad electromagnética (EMC) y el análisis térmico; comprobaciones de diseño para la fabricabilidad (DFM); y generación de archivos de producción (Gerber). Estas tareas pueden ser realizadas por un solo ingeniero o de forma colaborativa por varios ingenieros.
Naturalmente, el flujo de trabajo del diseño PCB varía según los productos, y los requisitos específicos dictan el enfoque. Comprobaciones de diseño para la fabricabilidad (DFM). Generación de archivos de producción (Gerber). Estas tareas pueden ser realizadas por un solo ingeniero o de forma colaborativa por varios ingenieros. Naturalmente, no todos los procesos de diseño PCB de los productos son idénticos; los productos específicos pueden refinar, ampliar o reducir este flujo de trabajo según sea necesario.
Software común de diseño PCB
Entre los programas de diseño de PCB más utilizados se incluyen:
Altium Designer, que ofrece una funcionalidad completa desde el diseño esquemático hasta el diseño PCB, la generación de paquetes y el análisis de la integridad de la señal. Su entorno visual y su amplia biblioteca de herramientas facilitan un diseño eficiente.
Cadence Allegro, una herramienta de nivel profesional ampliamente adoptada en la industria, que admite el diseño de circuitos de señal digital de alta velocidad y RF con sólidas capacidades de simulación y colaboración entre múltiples usuarios.
Mentor PADS es adecuado para diseños de pequeña y mediana escala, ya que cubre todo el flujo de trabajo de diseño con una interfaz fácil de usar;
KiCad, una solución de código abierto, es compatible con múltiples plataformas y cuenta con una sólida funcionalidad y una comunidad activa que ofrece asistencia técnica gratuita;
Eagle se caracteriza por su facilidad de uso y su rápido aprendizaje, con una interfaz intuitiva y una gran comunidad de usuarios que permite compartir recursos de diseño.
Documentación necesaria para el diseño PCB
1.Esquema del circuito
El diagrama esquemático constituye la base del diseño PCB, detallando todos los componentes electrónicos y sus interconexiones. Los diseñadores deben basar el diseño y el enrutamiento de la PCB en este esquema.
2.Lista de materiales (BOM)
La BOM enumera todos los componentes que se montarán en la PCB, incluyendo los números de pieza, las especificaciones, los tipos de paquetes y las cantidades. Esto ayuda a los diseñadores a seleccionar los paquetes de componentes adecuados y a planificar el diseño.
3.Especificaciones y requisitos de diseño
Estos abarcan las dimensiones de la PCB, el número de capas, el material, el grosor, los requisitos de rendimiento eléctrico (por ejemplo, control de impedancia), los requisitos de procesos especiales (por ejemplo, vías ciegas/enterradas, HDI) y otras restricciones de diseño.Materiales de diseño de referencia
4.Cuando estén disponibles, se deben proporcionar a los diseñadores materiales de diseño de referencia similares, como archivos de proyectos anteriores o planos de diseño de referencia, para su consulta.
5.Planos estructurales mecánicos
Incluyen planos de contorno, posiciones y dimensiones de los orificios de montaje, ubicaciones de los conectores y otra información estructural mecánica para garantizar que el diseño PCB se ajusta a los requisitos mecánicos generales del producto.
6.Requisitos de prueba y depuración
Proporcionan requisitos específicos para la prueba y depuración del producto, como la ubicación de los puntos de prueba y las interfaces de prueba, lo que permite a los diseñadores disponer adecuadamente los puntos de prueba y las interfaces dentro del diseño de la PCB.
Pasos para el diseño de placas de circuito impreso
El flujo de trabajo estándar para el diseño de placas de circuito impreso comprende: preparación preliminar → diseño estructural de la placa → disposición de la placa → enrutamiento → optimización del enrutamiento y serigrafía → comprobaciones de red y DRC con verificación estructural → producción de placas.
(1) Diseño esquemático: el diseño esquemático consiste principalmente en la elaboración de diagramas de circuitos utilizando el editor esquemático del software de diseño de placas de circuito impreso.
(2) Generación de la lista de redes: La lista de redes es un informe que muestra las relaciones de conexión entre los componentes dentro del esquema del circuito. Sirve de puente entre el diseño esquemático y la disposición de la PCB. Al examinar la lista de redes del esquema, se pueden identificar rápidamente las conexiones entre los componentes, lo que facilita el diseño posterior de la PCB.
(3) Diseño de la placa de circuito impreso: El diseño PCB realiza la funcionalidad requerida basándose en el diagrama esquemático. El diseño de la disposición de la PCB requiere tener en cuenta numerosos factores, como la estructura mecánica, la disposición de las conexiones externas, la colocación de los componentes, las interconexiones, la gestión térmica y la compatibilidad electromagnética. Para completar esta etapa, a menudo se requieren numerosas iteraciones del diagrama esquemático.
(4) Fabricación de la placa de control PCBA: Tras la adquisición de los componentes y la recepción de la PCB, la placa se somete a la colocación SMT y a la soldadura de varios componentes, junto con los procesos de inserción DIP, completando así el montaje de la placa de control.
Principios de colocación de componentes
En primer lugar, coloque los componentes con requisitos de integración estructural, como tomas de corriente, luces indicadoras, interruptores, conectores e interfaces. En segundo lugar, coloque los componentes especializados, como los componentes grandes, pesados y que generan calor, y los circuitos integrados (IC). Por último, coloque los componentes más pequeños. La disposición de los componentes debe tener en cuenta el enrutamiento, dando prioridad a los diseños que faciliten la colocación eficiente de las pistas.
1.Los osciladores de cristal deben colocarse cerca de los IC.
2.Los condensadores de desacoplamiento de los IC deben colocarse lo más cerca posible de los pines de alimentación de los IC, formando el bucle más corto posible entre la alimentación y la tierra.
3.Los componentes que generan calor deben distribuirse de manera uniforme para facilitar la disipación del calor de la PCB y de toda la unidad. Los componentes sensibles a la temperatura, excepto los sensores de temperatura, deben mantenerse alejados de los componentes que generan mucho calor.
Principios de enrutamiento
1.Las trazas de señales de alta velocidad deben ser lo más cortas posible, y las trazas de señales críticas deben tener una longitud mínima.
2.Evite colocar demasiadas vías en una sola traza; limítese a no más de dos vías.
3.Las esquinas de enrutamiento deben superar preferiblemente los 90 grados; evite los ángulos inferiores a 90 grados y minimice el uso de esquinas de 90 grados.
4.Al realizar el enrutamiento en placas de doble cara, las trazas de ambos lados deben disponerse perpendiculares, en diagonal o curvadas entre sí, evitando el enrutamiento paralelo para reducir el acoplamiento parásito.
5.Las líneas de entrada de audio deben ser de igual longitud, colocadas muy juntas y rodeadas por el plano de tierra.
6.No debe haber trazas debajo del amplificador IC; deben colocarse múltiples vías debajo del amplificador IC y conectarse a GND.
7.Dado que no hay una capa de plano de tierra dedicada en las placas de doble cara, la conexión a tierra del condensador del oscilador de cristal debe utilizar la traza corta más ancha posible hasta el pin GND más cercano al cristal en el componente, minimizando el número de vías.
8.Las líneas de alimentación y las entradas de carga USB deben emplear trazas más gruesas (≥1 mm). Proporcione un recubrimiento de cobre de doble cara en las ubicaciones de las vías y, a continuación, añada varias vías dentro del área recubierta de cobre.
Por lo general, las trazas de alimentación y tierra deben enrutarse primero para garantizar el rendimiento eléctrico de la PCB. Siempre que sea posible, amplíe las trazas de alimentación y tierra, idealmente con trazas de tierra que superen el ancho de las trazas de alimentación. La prioridad de las trazas es: tierra > alimentación > señal. El ancho de las trazas de señal suele oscilar entre 0.2 y 0.3 mm, con un ancho mínimo de 0.05 a 0.07 mm. Las trazas de alimentación suelen medir entre 1.2 y 2.5 mm.
En un contexto de evolución acelerada hacia la electrónica inteligente y altamente integrada, el diseño PCB ha pasado de ser un proceso técnico singular a convertirse en un eje fundamental que conecta la innovación con la producción en masa. Geopcb, con su completa cadena de servicios que abarca el análisis de requisitos, diseño esquemático, trazado de PCB, verificación de simulación, análisis de fabricabilidad DFM, producción de prototipos y soporte para la producción en masa, Geopcb ofrece soluciones a medida para los sectores de la electrónica de consumo, la electrónica automovilística, el control industrial y las comunicaciones 5G.
