La huella del PCB define la interfaz física entre cada componente electrónico y la placa de circuito impreso, aportando información esencial para las fases de montaje y mantenimiento del PCB, tales como la forma y el símbolo del componente, el número y la posición de las almohadillas, los pines de referencia y la polarización, entre otras.
Cada componente que se coloca en los lados de la placa de circuito impreso debe, por tanto, tener su propia huella, lo que incluye la zona de cobre del PCB a la que se soldará el componente. Por ejemplo, una huella SSOP de 16 pines incluirá dos filas de ocho almohadillas rectangulares. Las huellas de PCB incluyen información como la disposición de la máscara de cobre y de soldadura, la serigrafía, los orificios de montaje (si procede) y el pin de referencia.
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En la Figura 1 vemos la huella de un componente electrónico genérico con un paquete SSOP de 16 pines. Las partes de color rojo corresponden a las zonas de cobre de la capa, mientras que el resto de colores representa las capas de tipo mecánico.
Figura 1: Ejemplo de huella SSOP de 16 pines (con anotaciones)
Las huellas incorrectas pueden ralentizar o incluso detener el proceso de fabricación de la placa, por lo que deben disponerse de manera que respeten las limitaciones existentes con otros componentes del PCB. Las huellas del PCB, de hecho, forman parte de los archivos enviados por el diseñador a la empresa que se encargará de la producción de la placa.
Lo que hay que saber sobre las huellas de PCB
Los componentes son el elemento más importante de toda placa electrónica y las almohadillas asociadas a las mismas definen los puntos de conexión con las capas del PCB. Si el diseño de la almohadilla no permite identificar con precisión la posición de los componentes, el PCB no puede montarse adecuadamente. Por consiguiente, es esencial que las almohadillas estén alineadas con los demás elementos que conforman el PCB, tales como las trazas y los orificios; en caso contrario, el circuito electrónico podría averiarse o dañarse.
Es importante subrayar que cualquier componente soldado a la placa de circuito impreso, sea un componente de orificio pasante, una resistencia o condensador de montaje en superficie, o una matriz de retícula de bolas (BGA), requiere siempre una huella.
Por lo tanto, es importante crear la huella del PCB siguiendo unas reglas y normas estrictas, para evitar posibles problemas de soldadura durante el montaje, o un espaciado incorrecto entre los componentes. En los siguientes párrafos se presentarán algunas de las cosas mas importantes que hay que saber sobre las huellas de PCB.
1 - Qué información se incluye en las huellas de PCB
Toda huella de PCB debe incluir los siguientes elementos:
- Posición de almohadillas u orificios. Esta información indica dónde están situadas las almohadillas para el montaje de los componentes SMD, o los agujeros para la fijación del orificio pasante. Esta información es esencial para el proceso de soldadura y debe definirse con precisión:
- Contorno o demarcación del componente. Puede definirse como una área, o perímetro, de protección de la huella del PCB. Esto evita que otros componentes se coloquen en el interior de esta área. Esta frontera delimita todo el cuerpo del componente y es la capa principal responsable de la definición de la forma del componente.
- Indicador de referencia. Es un código alfanumérico que identifica de manera exclusiva el componente dentro del esquema y el diseño del PCB. En la Figura 2 se destacan algunos indicadores de referencia, tales como la resistencia R75 y el LED LD3;
- Indicador del Pin 1. Al colocar componentes con un gran número de pines, como es el caso de los circuitos integrados, es importante indicar la posición del pin 1 en la huella, a fin de evitar posibles malentendidos durante la fase de montaje. Este es el caso, por ejemplo, de componentes con paquetes QFP o DIP. En el ejemplo de la Figura 1, la referencia al pin 1 está representada por un círculo;
- Información mecánica. Algunos componentes pueden tener una parte mecánica, o una protrusión que puede extenderse sobre otros componentes, creando posibles colisiones o superposiciones entre componentes. Esto sucede, por ejemplo, con los disipadores térmicos;
- Modelo en 3D y símbolos. Cada huella de PCB tiene un símbolo asociado en el esquema y, en la mayoría de los casos, tiene también un modelo en 3D asociado. Esto permite al diseñador crear un modelo en 3D de toda la placa, verificando el posicionamiento correcto y las distancias mutuas entre los componentes.
Figura 2: Un PCB con algunos componentes de la huella resaltados
La Figura 3 muestra un PCB completo, relacionado con un proyecto de código abierto que incluye componentes SMD altamente integrados (FPGA). Véase cómo la huella de todos estos componentes, además de la disposición de las almohadillas y el espaciado relativo, incluye un punto (o un círculo) para identificar el pin 1. Podemos observar también cómo, en el caso del oscilador X1, se muestra el símbolo del componente.
Figura 3: PCB descubierto con algunas huellas destacadas
2 - Librerías de huellas de PCB
Incluso para los diseñadores de PCB más apasionados, la creación de una librería de componentes se considera una operación que solo debe realizarse si es estrictamente necesario. La misma consideración puede aplicarse a las librerías de huellas de PCB, cuya preparación exige una cantidad de tiempo significativa y puede ser fuente de posibles errores. En general, por tanto, es siempre preferible buscar huellas de PCB en bases de datos de librerías. Estas librerías están disponibles a través de las empresas que desarrollan software de diseño de PCB, fabricantes de componentes o terceros.
Entre las diferentes librerías de huellas disponibles online, las más populares son Ultra Librarian (1) y SnapEDA (2). Ultra Librarian, en concreto, se considera la librería de CAD de PCB más grande del mundo, cuyos datos pueden importarse a las aplicaciones de CAD de PCB más populares.
Mientras que la creación de una huella de PCB exige la inversión de tiempo y recursos al equipo de desarrollo, estas librerías online permiten acceder rápidamente a la información requerida, reduciendo el tiempo de comercialización y eliminando posibles errores humanos durante la creación de la librería.
Actualmente, sin embargo, los fabricantes ponen a disposición de los diseñadores, para cada componente del catálogo, el modelo de simulación, el modelo en 3D y la huella, entre otras cosas.
3 - Creación de una huella
Si una huella en concreto no está disponible en ninguna librería, el diseñador no tiene más alternativa que crear una huella personalizada y añadirla a la librería.
Si se decide crear una huella desde cero, es preciso asegurarse antes de contar con las especificaciones correctas para el componente en cuestión. En general, es preferible comenzar introduciendo la información sobre las almohadillas y, a continuación, definir el contorno del cuerpo del componente y la anchura máxima. Finalmente, se añaden el indicador de referencia, el indicador del pin 1 y otros atributos de tipo mecánico.
En ocasiones, puede suceder que se cree una huella de manera incompleta, generando posibles problemas durante la fase de definición del diseño del PCB. Por ejemplo, si una herramienta de CAD de PCB concreta exige la introducción de un atributo relativo a la altura del componente, no debe obviarse. Esto permitirá evitar posibles problemas mecánicos (diseño de la carcasa del PCB, por ejemplo) o de disipación térmica (componentes que obstruyen el flujo normal del aire).
4 - Directrices sobre la huella de PCB
También para las huellas de PCB existen normas específicas, aplicables a nivel internacional, que definen la huella, el símbolo esquemático y el modelo en 3D.
IPC 7351 (huella de PCB)
La norma IPC 7351 (en concreto, la versión IPC-SM-7351-B) define rigurosamente, mediante una serie de fórmulas, las dimensiones de la almohadilla que rodea a un componente electrónico. Muchas herramientas de CAD de PCB han sido diseñadas para cumplir con esta norma y, por ende, realizarán automáticamente los cálculos precisos.
ANSI Y32.2-1975 (símbolos esquemáticos)
Esta norma define una lista de símbolos gráficos y una serie de letras de designación de clases que deben utilizarse en los diagramas eléctricos y electrónicos. Algunas herramientas CAD de PCB permiten al diseñador decidir si los símbolos deben ajustarse o no a esta norma, mientras que otras lo hacen por defecto.
ISO 10303-21 (modelos en 3D )
La norma ISO 10303-21 define el formato de archivo utilizado para los modelos STEP que puede importarse al software de CAD en 3D.
5 - Directrices sobre la huella de PCB
En caso de decidir crear las huellas desde cero, las siguientes directrices pueden resultar útiles a fin de evitar posibles problemas durante la fase de montaje de la placa:
- Asegurarse de que la disposición de las almohadillas de los componentes sea simétrica. Esto evita que se produzca un efecto tomsbstone, esto es, el desprendimiento parcial del componente debido a las diferentes tensiones a ambos lados del componente
- Por el mismo motivo, hay que asegurarse de que las almohadillas opuestas en un componente tengan el mismo tamaño e idéntica forma.
- Asegurarse de que existe suficiente espacio libre entre las almohadillas de la huella y los bordes de la placa. Esto permite gestionar correctamente el montaje con las máquinas de recogida y colocación automática y evita problemas con la panelización de la placa.
- Incluir el indicador del pin 1 para todos los componentes que lo requieran. Esto garantiza que los pines de los componentes se conecten a las almohadillas correctas.
- Incluir indicadores de polaridad para todos los componentes polarizados, tales como diodos y condensadores electrolíticos o de tantalio.
- Incluir el contorno de los componentes para garantizar un montaje correcto
- Asegurarse de que todas las almohadillas tengan siempre el tamaño correcto: las almohadillas demasiado pequeñas pueden tender a la rotura, mientras que las almohadillas demasiado grandes pueden ocupar un valioso espacio en la pista o facilitar el movimiento de los componentes SMD durante la soldadura.
- Asegurarse de que las almohadillas estén adecuadamente espaciadas
- Evitar contornos de componentes demasiado pequeños, ya que pueden no ser reconocidos durante el montaje efectuado mediante líneas de producción automatizadas.
Por lo que hemos visto resulta evidente que es extremadamente importante que los parámetros que definen la huella de un componente sean correctos y precisos. Si esto no se produce, puede ser necesario rediseñar el circuito impreso, lo que representa una pérdida de tiempo y genera costes adicionales.
En la Figura 4 vemos un ejemplo de una huella de PCB correcta. La capa amarilla contiene la serigrafía y la referencia del pin 1. La capa roja contiene la definición de las almohadillas, la capa morada la definición de las dimensiones mecánicas, mientras que la capa verde contiene la definición de la demarcación.
Figura 4: Ejemplo de huella con distintas capas de información (Fuente: Ultra Librarian)
Referencias
[1] https://www.ultralibrarian.com/
26.10.2022
