Las 5 reglas principales del diseño de PCB digitales

La tecnología de PCB digitales ha recorrido un largo camino en el campo de la electrónica, mientras las innovaciones y los desarrollos satisfacen las demandas de dispositivos y aparatos electrónicos más rápidos, más pequeños y más económicos. Los PCB digitales constan de varios microprocesadores y otros circuitos electrónicos con capacidad para gestionar miles de operaciones por segundo. En comparación con las placas de circuito analógicas, los PCB digitales cuentan con una serie de mejoras, siendo las principales la mejor adaptación de la impedancia y el mayor control de la pérdida de inserción de las líneas de transmisión. 

Fuente - ak.picdn.net

Es muy importante que los PCB digitales se diseñen y conciban minuciosamente con el objetivo de eliminar problemas como las discontinuidades de impedancia en las líneas de transmisión, el chapado incorrecto de las interconexiones de los orificios pasantes, así como otros problemas relacionados con la integridad de la señal. Los PCB digitales poseen una serie de características que les aportan una ventaja durante el funcionamiento de un circuito electrónico. Algunas de estas características son:

• Elevado número de capas
• Estrictas tolerancias dimensionales 
• Eliminación de los stubs
• Alta densidad de encapsulado
• Compleja estructura de apilamiento, entre otras

Diferencias entre PCB analógicos y digitales

Existen varias similitudes y diferencias en cuanto al enrutamiento analógico y digital en los PCB en términos de condensadores de bypass, fuente de alimentación, diseño de tierra, errores de tensión, interferencia electromagnética (EMI, por sus siglas en inglés), etc. causados por el enrutamiento del PCB.  

Fig. 1: - Señales analógicas y digitales

Fuente - Proto-Electronics

Los circuitos analógicos consisten en una combinación de Op-Amps, resistencias, condensadores y otros componentes electrónicos utilizados en un PCB. Estas combinaciones de diversos componentes que forman un circuito analógico pueden variar de diferentes formas. Las dos aplicaciones principales de los circuitos analógicos son:

1. Filtrado de señales: En el caso de una señal continua, es necesario un filtro analógico continuo a fin de eliminar todas las frecuencias no requeridas del circuito. En comparación con un filtro digital, las aplicaciones de filtrado analógico son mucho más sencillas y más económicas.

2. Sensores: La conversión de datos adaptables del mundo real en información que sea reconocible por un sistema integrado o un ordenador se efectúa con la ayuda de sensores. Si no hay datos disponibles, los sensores crean una señal analógica y la convierten en señales digitales. Estos sistemas poseen baja amplitud y necesitan un acondicionamiento de la señal para aumentar su calidad y realizar un mejor aprovechamiento de todo el rango de un ADC, a diferencia de los sistemas de alta tensión.

Por otro lado, los circuitos digitales están formados por una combinación de componentes lógicos y secuenciales que se sirven de puertas lógicas que funcionan en señales digitales. En comparación con los circuitos analógicos, las señales digitales operan con la lógica de 0 y 1 para representar datos en formato digital en un único circuito integrado.

Criterios de selección de materiales del PCB para circuitos digitales

Existen ciertos factores que deberían tenerse en cuenta a la hora de seleccionar materiales para PCB digitales. Algunos de ellos son: 

1. Estabilidad de la tolerancia dimensional: El PCB digital debe incorporar materiales que aporten una estabilidad mecánica impecable, pasando por diferentes estabilidades de temperatura, vibraciones, choques y sobrecargas o sobretensiones eléctricas.

2. Gestión térmica superior: Los materiales deben ser capaces de proporcionar una excelente transferencia y disipación térmica, y deben garantizar que las capas no se descompongan, desprendan o despeguen a frecuencias más altas.

3. Rendimiento potenciado de la señal: Durante el funcionamiento del circuito, el rendimiento de la señal debe ser constante en todo el PCB con mínimas pérdidas de señal, incluso durante variaciones de frecuencia. Los diseñadores deben asegurarse de que los materiales seleccionados tengan un bajo factor de pérdida dieléctrica (Df) para garantizar que no se produzcan pérdidas.

4. Estricto control de la impedancia: Los PCB digitales requerirán un estricto control de la impedancia, ya que tendrán que mantener una constante dieléctrica (Dk) estable durante las operaciones a alta velocidad.

5. Resistencia a la humedad y a los productos químicos: Deben seleccionarse materiales con un bajo índice de absorción de humedad y productos químicos para que se produzcan variaciones mínimas en el rendimiento eléctrico deseado del PCB.

Materiales del PCB digital

El fundamento o la base de una antena de PCB consiste en un sustrato y un laminado, que también determina el rendimiento del PCB. Cualidades tales como la funcionalidad, la longevidad y la rentabilidad deben considerarse prioritarias a la hora de diseñar un PCB, por lo que es crucial seleccionar el tipo de material adecuado. El material que se tiene en cuenta en el diseño de un PCB puede ejercer un efecto a corto o largo plazo sobre el rendimiento. El precio del material de un PCB es directamente proporcional al rendimiento del mismo. Si no es esencial un alto rendimiento del PCB, puede considerarse el uso de un material denominado poliéster ligero, por razón de su bajo coste y su buena versatilidad.

En la selección de los materiales, la temperatura es un parámetro que debe tenerse en cuenta. La resistencia térmica debe ser mayor que el calor producido, ya que con un exceso de calor el circuito puede fallar. La Tg (temperatura de transición vítrea) se produce en el momento en que el PCB pierde su rigidez y su capacidad de rendimiento. La Tg debe ajustarse al proceso de montaje empleado, y se recomienda una Tg con un mínimo de 170 ºC para el montaje sin plomo. Para un PCB de alto rendimiento, la Tg debe ser superior a 170ºC, mientras que un PCB estándar tiene una Tg de 130ºC. La ventaja de contar con una elevada Tg es la gran capacidad de resistencia a los productos químicos y a la humedad.

Los materiales generalmente empleados en los sustratos del PCB van desde el FR-1 y el G-10 hasta el PTFE. Los laminados están formulados con CTE, FTFE, CEM y otros componentes diversos.

• FR-4: FR son las siglas en inglés de «retardante de llama» y su uso es generalizado en placas estándar. Cuenta con dos puntos de Tg: el primero es de 135ºC y el segundo es de 150ºC-210ºC, lo que es aplicable a los usos de alta densidad.

• G-10: Se trata de un laminado de fibra de vidrio de alta presión El G-10 y el FR-4 se utilizan como aislantes para aplicaciones eléctricas y electrónicas.

• PFTE (Politetrafluoroetileno): El PFTE puede ser una buena opción en placas de alta frecuencia, microondas y alta potencia, ya que cuenta con una Tg de 160ºC y 280ºC.

• CEM-1, CEM-2 y CEM-3: Funcionan bien en aplicaciones de alta densidad. La Tg ofrecida por CEM-1, CEM-2 y CEM-3 es de 122°C,125°C y 125°C, respectivamente 
  
• Poliamida- Como sustrato, ofrece una Tg de 250°C o más para circuitos de alta potencia. En el caso de los circuitos flexibles, son preferibles los sustratos de poliamida, puesto que los sustratos de FR-4 son rígidos. Los sustratos de poliamida son ligeramente más costosos que los de FR-4, pero ofrecen una gran resistencia a las temperaturas.

 Reglas para el diseño de PCB digitales

La mayoría de los sistemas de diseño de PCB tienen la capacidad de transferir reglas entre el esquema y el diseño. Esto permite que el esquema controle las reglas de diseño en lugar de esperar a que se introduzcan todas las restricciones del lado del diseño, lo que representa una enorme ventaja para los diseñadores. Este nivel de organización brinda a los diseñadores la capacidad de crear reglas para la colocación de redes y componentes concretos, que son esenciales para el diseño de circuitos. La clase de red o red permite agrupar redes similares entre sí y asignarles un conjunto de reglas. Dado que las reglas de red ya están presentes en la base de datos de diseño, el diseñador no necesita depender de instrucciones escritas. Para garantizar el diseño preciso de la placa del circuito, hay algunas reglas que deben seguirse: -

1. Valores por defecto- La herramienta de diseño del software arrancará con valores por defecto que normalmente surgen a causa de flecos de diseños previos o valores predeterminados del sistema. El diseñador debe confirmar estos valores antes de comenzar a fin de asegurarse de que no se enruten con anchos de traza incorrectos o que se coloquen los componentes demasiado cerca. Para evitar este tipo de problemas, estos valores por defecto pueden reiniciarse a través de la configuración. Asimismo, debe asegurarse que el espaciado de los valores por defecto se configure según el esquema requerido del circuito, al objeto de evitar inconvenientes causados por configuraciones previas.

2. Categorías- Aunque la mayoría de las reglas pueden configurarse para redes o componentes individuales, este proceso puede llevar mucho tiempo si existen centenares de objetos con los que trabajar que requieran reglas y restricciones únicas. Algunas de las herramientas de diseño proporcionan un sistema para la instalación de categorías de redes y componentes, con el propósito de facilitar la configuración de reglas y restricciones. 

Fig. 2: Categorías de instalación

Fuente- Circuitstudio

Por ejemplo, los anchos de traza únicos y los requisitos de espaciado pueden configurarse para un valor de redes concreto, un diseñador puede crear un conjunto de reglas para una categoría de potencia y añadirlas a las redes.

3. Reglas de diseño de alta velocidad: A la hora de diseñar circuitos digitales de alta velocidad, pueden configurarse longitudes de traza específicas, así como hacer coincidir las longitudes de las trazas de conexión cercanas, lo que contribuye a mejorar la estabilidad de las líneas de datos. Para enrutar las trazas juntas a diferencias establecidas, se pueden establecer pares diferenciales a distancias creando topologías de traza exclusivas para características de red concretas. Para el enrutamiento controlado por la impedancia, los anchos de las trazas pueden configurarse automáticamente, y los tamaños de las vías pueden asignarse a las categorías de redes.

Fig. 3: - Diseño de trazas

Fuente - PCBDesignworld

4. Elección del espaciado correcto de la placa de circuito impreso: La selección del espaciado correcto entre los componentes empleados en el circuito y el espaciado entre las líneas de la placa de circuito impreso ayuda a mejorar la salida eléctrica deseada y también ahorra costes y reelaboraciones. Una relación de aspecto ideal de la vía de 6:1 garantiza la fabricación de la placa donde se requiera, lo que ayuda a que la perforación esté exenta de problemas. 

Fig. 4: Espaciado del PCB 

Fuente- Optimumdesign

Asimismo, durante el proceso de diseño, los componentes y los esquemas de los circuitos deben representarse correctamente en cualquier software de CAD, lo que permite a los diseñadores visualizar simulaciones precisas antes de la producción en serie.

5. Protección frente a la descarga electroestática: Los PCB digitales son muy vulnerables a las descargas electroestáticas que pueden producirse debido a un fallo causado durante el funcionamiento de componentes en estado sólido como circuitos integrados (CI), baterías, etc. Si no se toman en serio, los circuitos pueden funcionar mal o incluso explotar. Ldiseñadores de PCB deben utilizar protectores de ESD como varistores de óxido metálico, diodos de supresión de tensión transitoria, supresores basados en polímeros, etc. al objeto de evitar los problemas provocados por las descargas electrostáticas.

Conclusión

En el diseño de PCB digitales, deben extremarse las precauciones durante todo el proceso de diseño para garantizar que tanto el circuito como el PCB rindan al máximo. Deben tenerse en cuenta varios factores a la hora de seleccionar el material adecuado para el PCB HDI digital. Los materiales deben tener estabilidad dimensional, elevado control de la gestión térmica, resistencia a la humedad y a los productos químicos, etc. para que la señal pase a través del PCB con fluidez y sin interrupciones. El FR4 es uno de los materiales más adecuados para el diseño de PCB digitales, debido a su elevada resistencia dieléctrica y a la integridad superior de la señal.

Antes de pasar a la producción en serie, es importante que los diseñadores simulen los componentes electrónicos y su funcionamiento en el PCB para obtener los resultados idóneos. En cuanto a los circuitos digitales de alta velocidad, el diseño de las longitudes de trazas es esencial, ya que mejora la estabilidad de la señal para una mejor transmisión de la misma. El espaciado de los componentes debe efectuarse de manera correcta, manteniendo la cercanía adecuada para evitar interferencias de las señales. Una relación de aspecto de las vías de 6:1 puede servir para realizar una fabricación y una perforación eficientes en la placa, lo que contribuye a aportar flexibilidad durante el proceso de cableado y soldadura. La mejor práctica posible para evitar las descargas electromagnéticas y sus efectos en los PCB consiste en utilizar diversos protectores, como varistores de óxido metálico, diodos de supresión de tensiones transitorias, supresores basados en polímeros, etc.

22.06.2022