A lo largo de los años, el diseño de las placas de circuito impreso ha ido cobrando mayor complejidad, con una creciente densidad de los componentes. Esta complejidad se debe, por un lado, a la demanda del mercado de unas funciones cada vez más ricas y avanzadas, y por otro, a la necesidad de crear PCB de tamaño ultrapequeño, como requieren los dispositivos de última generación. El aumento de las frecuencias operativas de las señales requiere una alta precisión en el diseño a fin de evitar problemas de integridad energética y de la señal, minimizando así la posibilidad de generar interferencias electromagnéticas y mejorando la disipación térmica.
La colocación correcta de los componentes en el PCB es esencial, ya que evita que surjan problemas que podrían comprometer la fabricabilidad, la funcionalidad, la duración y el mantenimiento de la placa de circuito impreso. Por ejemplo, la colocación de componentes analógicos y digitales sin una separación adecuada provoca casi con toda seguridad una corrupción de alguna señal. No es de extrañar, por tanto, que la fase de colocación de los componentes generalmente requiera más esfuerzo que el enrutamiento.
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Reglas para la colocación de componentes en el PCB
La colocación de los componentes es una de las primeras fases del diseño del PCB y debe enfocarse con el máximo cuidado al objeto de evitar costosas reelaboraciones y pérdidas de tiempo. Las siguientes son las principales reglas que ayudan al diseñador de PCB a materializar una colocación óptima de los componentes.
1 - Agrupar los componentes por función
Los componentes con funciones similares deberían agruparse. Por ejemplo, los circuitos integrados de gestión de potencia (PMIC, por sus siglas en inglés) deberían agruparse en la misma sección de gestión de potencia, junto con los convertidores, los LDO y otros dispositivos similares que desarrollan una considerable cantidad de calor y generan altas corrientes. La sección de suministro de potencia debe mantenerse separada de las partes analógicas y digitales, especialmente si emplean señales con altas frecuencias de conmutación. Asimismo, los componentes que generan radiación o ruido electromagnético deben separarse de las señales más sensibles. Agrupar los componentes según su función también permite controlar mejor la vía de retorno.
2 - Utilizar una orientación estándar de los componentes
Los circuitos integrados, independientemente de su huella y número de terminales, siempre tienen un pasador de referencia (pasador 1). Con el objetivo de racionalizar el diseño del PCB y simplificar la fase de montaje, los diseñadores tienen que garantizar que los circuitos integrados estén alineados en la misma dirección, lo que aumenta la eficiencia del proceso de montaje y reduce los errores de colocación. Más en general, la regla común dicta orientar los componentes similares (incluidos los pasivos) en la misma dirección, lo que asegura que el proceso de soldadura sea más eficiente y carezca de errores.
Se aconseja dividir los componentes en filas y columnas (como una especie de matriz), orientándolos uniformemente para simplificar el montaje con máquinas de recogida y colocación, así como la inspección y el mantenimiento. Todos los componentes polarizados, como los condensadores electrolíticos y de tantalio, o los diodos, deberían estar orientados en la misma dirección, indicando la polaridad de los componentes en la serigrafía. Una regla general adecuada consiste en dejar un espacio de al menos 1,016 mm entre los componentes, y por lo menos 2,54 mm entre cada componente y el borde del PCB.
En el lado de soldadura del PCB, también se evitará colocar los componentes muy cerca de los terminales de orificios pasantes. Todos los componentes de montaje en superficie (SMD) deben colocarse en el mismo lado de la placa, mientras que todos los componentes con orificios pasantes deberían colocarse en la parte superior del PCB para simplificar el montaje.
La Figura 1 muestra un ejemplo de cómo se han orientado los componentes activos y pasivos siguiendo una lógica y unas reglas muy precisas.
Figura 1: Ejemplo de orientación correcta de los componentes en el PCB.
3 - Separar las diferentes áreas entre sí
Las áreas del PCB que contienen componentes digitales, analógicos, de radiofrecuencia (RF) o de potencia deberían mantenerse separadas entre sí.
La separación de las distintas áreas funcionales evita las peligrosas interferencias entre las señales analógicas y digitales que se mezclan, provocando fenómenos de diafonía que comprometen la integridad de la señal. La forma más sencilla de evitar que las trazas analógicas y digitales se solapen es mantener los componentes no homogéneos en regiones separadas. La misma regla debe aplicarse a las masas analógicas y digitales, que no deben confundirse.
Como criterio para la separación de diferentes regiones, puede utilizarse tanto la función del componente como los niveles de tensión y corriente que puede tolerar. La Figura 2 muestra un ejemplo de placa altamente integrada en la que los diversos componentes se han agrupado y dividido en regiones separadas.
Figura 2: Ejemplo de separación de los componentes del PCB en diferentes regiones.
4 - Mantener los componentes alejados de fuentes de calor
En aplicaciones de alta potencia, MOSFET, IGBT, PMIC y reguladores de tensión desarrollan una cantidad considerable de calor. Aunque se añadan suficientes vías para ayudar a la disipación térmica, es preferible evitar colocar otros componentes en las proximidades de los componentes de potencia. Lo mismo es aplicable a los amplificadores de potencia operativos o cualquier otro dispositivo emisor de calor.
5 - Crear planos de tierra sólidos
Los planos de tierra deberían ser siempre continuos, sin ningún tipo de interrupción, ya que ello facilitaría la aparición de problemas de integridad de la señal y la potencia.
En caso de que no sea posible mantener la uniformidad del plano de tierra, debe tenerse un cuidado extremo al colocar los componentes a lo largo de la interrupción. Las líneas de transmisión de señales de alta velocidad, por ejemplo, no deberían atravesar discontinuidades del plano de tierra, ya que ello causaría una interrupción en la vías de retorno de esas señales.
Además del uso de planos de tierra sólidos, otra regla que ayuda a crear vías de retorno seguras y bien definidas dicta evitar un número excesivo de rutas susceptibles de bloquear las vías de retorno de las señales.
Si el plano de tierra se ha colocado en una capa intermedia, es aconsejable asimismo insertar una vía de baja impedancia para proporcionar una protección adecuada para las señales de control y reducir el riesgo de interferencias.
6 - Qué colocar cerca de los bordes del PCB
Los componentes que seguramente se colocarán próximos a los bordes del PCB son los conectores, especialmente si requieren fijación con tornillos. Con ello se evita el contacto indeseado de los cables con otros componentes del PCB y simplifica el montaje y la instalación de la placa.
En cambio, es preciso evitar la colocación de dispositivos sensibles cerca de los bordes de la placa, ya que tienen características de impedancia distintas a las del resto del circuito y ofrecen mayores posibilidades de sufrir interferencias electromagnéticas.
La mayoría de los problemas de colocación que surgen durante las fases de montaje o fabricación se producen cuando los componentes se colocan demasiado próximos a los bordes del PCB. Los equipos de montaje automático de las placas electrónicas exigen el mantenimiento de unas distancias mínimas entre los componentes y el borde, que deben respetarse durante la fase de diseño del PCB. Al objeto de evitar causar problemas a las máquinas de recogida y colocación, debe mantenerse un espacio mínimo de 1,27 mm entre los componentes y un espacio de 2,54 mm entre cada componente y el borde de la placa.
7 - Dejar suficiente espacio para las trazas
La tendencia actual en electrónica marca unos requisitos de PCB con un tamaño cada vez más compacto, una necesidad que se da sobre todo en el sector de los dispositivos portátiles. Sin embargo, existen límites en la miniaturización de los circuitos y siempre existe un tamaño óptimo que debe respetarse. De otro modo, resulta prácticamente imposible enrutar todas las trazas. Por lo tanto, a la hora de colocar los componentes, es necesario asegurarse de que exista suficiente espacio en el PCB para el paso de las trazas de cobre, especialmente cerca de los componentes con un número elevado de pasadores.
8 - Diseñar para la fabricabilidad, la accesibilidad y el mantenimiento
Las placas de circuito impreso se montan con el empleo de equipos automatizados que normalmente ejecutan un proceso de soldadura por ola para los componentes con orificios pasantes y un proceso de soldadura por reflujo para los componentes de montaje en superficie. Ambos procesos tienen requisitos específicos que los diseñadores de PCB deben conocer para garantizar la máxima eficiencia durante las fases de montaje y fabricación de la placa.
Por consiguiente, resulta esencial verificar la colocación correcta de los componentes, a fin de evitar posibles interrupciones en la fase de producción, simplificando al mismo tiempo el proceso de montaje del PCB. La colocación de los componentes afecta al rendimiento del dispositivo tanto en términos de integridad de la señal como de inmunidad a las interferencias electromagnéticas (EMI).
9 - Señales de alta velocidad
Los componentes que gestionan señales de alta velocidad deben agruparse en la misma región del PCB y se colocarán a escasa distancia unos de otros, con el fin de simplificar el enrutamiento de las trazas. Las conexiones entre estas señales deben efectuarse con trazados cortos y rectos.
Los componentes de alta velocidad que consumen mucha corriente (como la CPU, la FPGA y la GPU) requieren asimismo condensadores de desacoplamiento conectados a sus pasadores de potencia respectivos. En las placas digitales o en presencia de componentes con paquetes BGA, la colocación de estos condensadores puede resultar más complicada. No obstante, es imprescindible que los condensadores de derivación se coloquen lo más cerca posible de los pasadores VCC de los componentes activos, para evitar oscilaciones de las señales de alimentación y tierra, y resolver así posibles problemas de integridad de la alimentación en la fuente.
En general, conviene dejar un espacio de entre 8,9 y 12,7 mm entre cada circuito integrado colocado en la placa. En el caso de circuitos integrados de grandes dimensiones, se deberá más espacio. La Figura 3 muestra condensadores de derivación colocados en las inmediaciones de los circuitos integrados.
Figura 3: Ejemplo de condensadores de derivación.
10 – Gestión térmica
A la hora de colocar los componentes, debe tenerse en cuenta la cantidad de calor que se genera durante su funcionamiento. Los componentes que desarrollan mucho calor, como es el caso de los procesadores, deberían colocarse en el centro del PCB, de manera que el calor se disipe uniformemente por toda la placa. Igualmente es necesario prestar atención a la trayectoria seguida por el flujo de aire, evitando que la refrigeración de los componentes que se hallan a más alta temperatura se vea obstruida por la presencia de componentes de mayores dimensiones. Además, es aconsejable reservar espacio suficiente desde el inicio para la colocación de cualquier disipador térmico u otros dispositivos diseñados para mejorar la disipación térmica.
Conclusión
Siguiendo las reglas de colocación que se han enumerado más arriba, es posible afrontar las posteriores fases del diseño del PCB (comenzando por el enrutamiento de las trazas) con mayor tranquilidad y seguridad, siendo conscientes de que se han evitado los posibles problemas en la fase de montaje o, lo que es peor, durante el funcionamiento del producto final.
Para la colocación de los componentes en el PCB existen diversas herramientas de diseño de software que ofrecen una serie de útiles funciones integradas. Un buen diseño del PCB parte de la correcta colocación de los componentes, por tanto no hay que preocuparse si esta fase de desarrollo lleva algún tiempo, ya que es uno de los aspectos más desafiantes de todo el proceso de diseño del PCB.
31/08/2022
