5 Diseño
5.5 Posicionamiento de componentes y trazado de pistas

El posicionamiento de los componentes es el siguiente paso en el proceso. Este es uno de los pasos más importantes y críticos en el diseño de un PCB. Se dice que el diseño de un PCB es 90% de colocación y 10% de trazado de pistas. Lo que realmente significa es que la ubicación de sus componentes terminará decidiendo cuánto tiempo tomará su enrutamiento.

Se dice que el diseño de una PCB es tanto un arte como una ciencia. Hay un gran conjunto de conocimientos técnicos y mediciones a considerar cuando se trata de anchos de pista, capas, esquemas, diseño del plano de tierra de la PCB, etc. El lado artístico del diseño de la PCB tiene que ver con la colocación de los componentes. La verdad es que no hay una forma correcta de colocar componentes, y esta libertad es en última instancia lo que hace que el proceso de diseño de la PCB sea tan creativo. Si se da un esquemático a 100 ingenieros diferentes, es probable que se obtengan 100 diseños diferentes. Por esta razón, el proceso de diseño de la PCB se considera un proceso artístico [12].

Una de las primeras cosas que debe hacerse es ajustar el área de la placa al tamaño máximo permitido de la PCB. El número de capas dependerá de las tensiones de alimentación y la complejidad.

A continuación se proporcionan una serie de pautas generales de diseño que se deben conocer y tener en cuenta al diseñar una PCB industrial, funcional y fiable. Obviamente, hay más, y la siguiente lista de pautas de diseño de PCB no debe considerarse como una lista exhaustiva [13].

Al colocar los componentes, asegúrese de que la opción “Ajustar a la cuadrícula” esté activada. Inicie la colocación de los componentes en el siguiente orden: conectores, circuitos de alimentación, circuitos sensibles y de precisión, componentes de circuitos críticos (MCU, DSP, FPGA, memoria y cristales de reloj) y luego el resto. Además, los componentes deben colocarse teniendo presente a qué otros componentes van conectados.

Los componentes similares deben orientarse en la misma dirección, ya que esto ayudará a un proceso de soldadura eficiente y sin errores.

Evite colocar componentes en la cara de soldadura de una placa.

Coloque todos los componentes de montaje superficial en el mismo lado de la placa, y todos los componentes de inserción en la parte superior de la placa para minimizar el número de pasos del ensamblaje.

Coloque los condensadores de desacoplamiento lo más cerca posible del pin de VCC en los componentes activos.

Los componentes que absorban más de 10 mW o con corrientes de más de 10 mA deben considerarse lo suficientemente potentes para consideraciones térmicas y eléctricas adicionales. Las señales sensibles deben protegerse de las fuentes de ruido mediante planos de masa y mantener controlada su impedancia.

Los componentes de potencia deberían utilizar planos de tierra o de alimentación para el flujo de calor. Realice conexiones de corriente elevada de acuerdo con la caída de voltaje aceptable para la conexión. Las transiciones entre capa para pasos de corriente elevada deben realizarse con dos a cuatro vías en cada transición entre capas. Coloque múltiples vías en las transiciones entre capas para aumentar la fiabilidad, reducir las pérdidas resistivas e inductivas y mejorar la conductividad térmica.

Crear siempre un plano de tierra. Éste puede ser una gran área de cobre en una placa de una sola capa o incluso una capa completa dedicada como plano de tierra en placas de múltiples capas. Una vez que se ha agregado el plano de tierra, simplemente es cuestión de conectar todos los componentes que necesitan ir a tierra mediante vías.

Las pistas de cobre del mundo real tienen resistencia. Esto significa que una pista tiene una caída de tensión, una disipación de potencia y un aumento de temperatura cuando la corriente fluye a través de ella. El ancho de las pistas debe dimensionarse de acuerdo con la corriente estimada que fluye a través de ellas. Por lo tanto, las líneas de alimentación deben ser más anchas porque toda la corriente es suministrada por estas pistas. Típicamente, las pistas de cobre en PCB suelen tener un espesor de 35 micras. Así:

Tabla 1 – Anchura de pista y corriente máxima
Anchura de pista | Valor de corriente máxima
4 mm | 10A
2 mm | 5A
1,5 mm | 4 A
1 mm | 3 A
0,5 mm | 2A
0,2 mm | 0,5 A

Minimizar las longitudes de las pistas al colocar los componentes y evitar ángulos de 90 grados. Utilizar dos curvas de 45 grados en su lugar. Las razones para esto son que en el proceso de fabricación de la placa, la esquina exterior de la pista puede resultar un poco más estrecha, cambiando así su impedancia. El uso de ángulos de 45 grados acorta la trayectoria eléctrica entre los componentes. Además, las señales lógicas de alta velocidad pueden reflejarse desde la parte posterior del ángulo de 90 grados, causando interferencia.

Mantener separadas las conexiones a tierra, las analógicas de las digitales, porque los picos de tensión y de corriente de los circuitos digitales pueden generar interferencias (ruido) en los circuitos analógicos, lo que afecta su rendimiento.

Estas reglas no están en ningún orden en particular, generalmente se pueden aplicar a cualquier proyecto de diseño de una PCB y deben ser una guía útil para los diseñadores novatos.

Como resultado de los procesos de posicionamiento y enrutamiento, finalmente obtenemos el diseño de la PCB, que es el dibujo donde aparecen las huellas de los componentes electrónicos en la posición que ocuparán en la PCB final y las pistas de interconexión entre los pines.

Fig. 5. Diseño de la PCB: 2D (arriba) y 3D (abajo).