El diseño de una placa de circuito impreso (PCB) se divide en varias fases, todas ellas importantes e indispensables para alcanzar el objetivo que todo diseñador se fija: crear en un breve espacio de tiempo un circuito que sea capaz de desempeñar a la perfección todas las funciones que se requieren. Una vez seleccionados los materiales y la estructura física del PCB (número de capas y apilamiento o «stackup»), el siguiente paso consiste en la colocación de los componentes, distribuidos en las diferentes capas, y en el enrutamiento de las trazas. En este artículo analizaremos este último punto, proponiendo algunos trucos que pueden simplificar (evitando algunos errores habituales) una de las fases más delicadas y, en cierto modo, más satisfactorias del diseño de PCB, que es el enrutamiento. No es ninguna coincidencia, por tanto, que las habilidades de enrutamiento obtenidas con años de experiencia en diseño a nivel profesional de PCB se equiparen con frecuencia con el arte.
1. ¿Enrutamiento manual o automático?
Todo software de diseño de PCB que se precie incluye un enrutamiento automático o una función de autoenrutamiento. Aquellos que dan sus primeros pasos en este mundo a menudo tienden a creer que el autorouter es una herramienta infalible, capaz de resolver cualquier problema de conexión. En realidad, ningún autorouter es capaz de sustituir por completo las habilidades, la experiencia y la flexibilidad de un diseñador. En lugar de confiar completamente en esta función, los diseñadores deberían utilizarla para ahorrar tiempo en la trazabilidad de conexiones sencillas y simples, o meramente para comprobar qué solución sugiere la herramienta – a veces puede que ya sea óptima, pero en otras ocasiones quizás solo precise unos pocos retoques.
2. Seleccionar adecuadamente el ancho de la traza
La geometría de la traza (grosor y ancho) reviste una importancia fundamental para asegurar el correcto funcionamiento del circuito en todas las condiciones ambientales y de carga. Las trazas de un PCB se utilizan para transportar señales eléctricas y, por tanto, deben tener un ancho compatible con la corriente que pasa a través de ellas. El diseñador debe determinar el ancho mínimo de cada traza, a fin de evitar un peligroso sobrecalentamiento de la placa; este parámetro afecta directamente al proceso de enrutamiento, ya que reduce el espacio disponible en el PCB. El ancho mínimo, por tanto, debe determinarse antes de colocar las trazas, mediante una de las diversas herramientas de cálculo, disponibles también en línea. Introduciendo el grosor, la corriente y el aumento máximo de temperatura admisible, estas herramientas nos darán el ancho mínimo de traza. El grosor de la traza del PCB se mide en onzas de cobre, que corresponden al grosor que se obtendría mediante la distribución uniforme de una onza de cobre sobre una superficie de 0,0929 metros cuadrados. Este grosor es de 1,4 milésimas de pulgada. Los PCB estándar utilizan cobre con un grosor de 1 o 2 onzas de cobre, pero para aplicaciones de alta corriente puede ser de hasta 6 onzas. Si el espacio disponible no es un problema, el consejo es utilizar trazas con un grosor superior al mínimo, mejorando así la gestión térmica y la fiabilidad de la placa. También debe tenerse en cuenta que las trazas en las capas exteriores alcanzan un mejor intercambio térmico y, por tanto, pueden tener un ancho inferior.
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3. Mantener separadas las trazas analógicas y digitales
Las trazas del PCB que transportan señales digitales, especialmente si es a alta frecuencia, deben mantenerse separadas de las que transportan señales analógicas. Las señales digitales, tales como buses de direcciones o datos, a menudo viajan en trazas paralelas, con el riesgo de crear acoplamientos capacitivos e interferencias entre señales. Esto implica la generación de ruido, un fenómeno insidioso y frecuentemente difícil de solucionar sin introducir cambios en el PCB. El consejo es, por tanto, mantener las trazas digitales de alta frecuencia alejadas de las trazas que no queremos que se vean afectadas por el ruido.
4. No olvidarse de los planos de tierra
Se requiere por lo menos un plano de tierra en todo PCB ya que proporciona a todas las trazas el mismo punto de referencia para medir tensiones. En cambio, si elegimos enrutar cada traza individual a tierra en lugar de al plano de tierra, terminaremos con una miríada de conexiones diferentes a tierra, cada una con su propia resistencia y su propia caída de tensión. La solución más simple y más lineal es crear un plano de tierra sólido (sin interrupciones), que puede ser un área total de cobre, o incluso una capa entera en el caso de placas multicapa. Colocar un plano de tierra bajo las trazas que transportan señales ayuda a reducir su impedancia y mejora la inmunidad al ruido. El consejo es colocar planos de potencia y de tierra en las capas más profundas de la placa, manteniéndolas tanto simétricas como centradas. Esta precaución evita que la placa se doble, causando deformación o desprendimiento parcial de los componentes.
5. Mantener suficiente espacio entre trazas
Es de importancia crítica reservar suficiente espacio entre trazas y pastillas del PCB (véase la Figura 1), con lo que se evita que se produzcan cortocircuitos durante las fases de fabricación o ensamblaje del PCB. Por regla general, se recomienda dejar una holgura de 0.007 a 0.0010 pulgadas entre cada traza y pastilla contigua. La misma regla se aplica asimismo a los orificios de montaje: siempre debe haber espacio suficiente a su alrededor, libre de trazas o pastillas, a fin de evitar el riesgo de descargas eléctricas. De hecho, la máscara de soldadura por sí sola no basta para proporcionar un grado de aislamiento suficiente que evite este riesgo.
Figura 1: Distancia y grosor de las trazas (fuente: PCBDesignWorld).
6. Alternar la dirección de la traza
Ya sabemos que las conexiones entre componentes deben realizarse con trazas lo más cortas y rectas posible. Si la mayoría de las trazas en una capa siguen determinada dirección (por ejemplo, horizontal), es preferible que las trazas en la capa adyacente a esta se orienten en dirección perpendicular (por ejemplo, vertical). Esto ayuda a reducir el fenómeno de diafonía entre pistas. La Figura 2 muestra el PCB de una placa Arduino Mega 2560 compatible: obsérvese cómo las trazas en las dos capas nunca están en la misma dirección y cómo las trazas para las señales de energía y tierra son más gruesas que las trazas de señal.
Figura 2: Una placa Arduino Mega 2560 compatible.
7. Evitar el acoplamiento capacitivo
Al objeto de reducir el acoplamiento capacitivo producido por las trazas colocadas sobre y bajo planos de tierra grandes, es necesario asegurarse de que las trazas asignadas a las señales de potencia y analógicas se disponen en capas específicas. Los condensadores de desacople, componentes robustos y relativamente económicos, deben estar siempre presentes para desacoplar líneas de potencia y para compensar las inevitables tolerancias de los componentes. Sus trazas deben ser muy cortas y colocarse lo más cerca posible de los terminales de potencia del componente.
8. Colocar vías y pastillas térmicas
Las pastillas térmicas tienen un papel vital en las aplicaciones de soldadura por ola en productos con alto contenido en cobre o en placas multicapa. Con el propósito de mejorar la gestión térmica, es siempre recomendable utilizar pastillas térmicas en los componentes de orificios pasantes, simplificando así el proceso de soldadura y mejorando la disipación del calor. Por regla general, se recomienda insertar una pastilla térmica siempre que una traza u orificio se conecte a un plano de tierra o de potencia. Las vías térmicas también son muy importantes, ya que son capaces de ofrecer no tan solo una conexión eléctrica entre capas sino también una herramienta para transferir calor desde los componentes más calientes hasta el exterior. Colocando vías térmicas bajo una huella de chip, la temperatura operativa del componente se reduce, mejorando la fiabilidad y durabilidad del circuito.
9. Trazas de tierra y potencia
Las trazas asociadas con señales de potencia y tierra deben ser más gruesas que las trazas que transportan señales digitales o analógicas. Esto les permite transportar una mayor cantidad de corriente y las hace más fácilmente identificables incluso con un simple examen visual, reduciendo las probabilidades de conexiones incorrectas entre líneas de señales y de potencia. Una norma general es utilizar un ancho de 0.040 pulgadas para trazas de tierra y potencia y de 0.025 pulgadas para las demás trazas.
10. Evitar ángulos de 90°
Los diseñadores de RF saben que los ángulos agudos y las curvas en ángulo recto presentan problemas a altas frecuencias, creando discontinuidades que pueden comprometer la integridad de la señal aumentando la diafonía, la radiación y las reflexiones. En aplicaciones de baja frecuencia o DC, continúa abierto el debate sobre la necesidad de evitar ángulos rectos. Dado que la tendencia actual es incorporar microprocesadores y periféricos que utilicen señales de alta frecuencia en cualquier diseño, una opción inteligente podría ser mantener y aplicar esta regla en todo caso. En la Figura 3 se observa cómo en varias trazas los ángulos rectos se han sustituido por dos ángulos de 45 grados.
Figura 3: Una forma de evitar los ángulos rectos.
