Placa de circuito impreso (PCB) se encuentran en casi todos los tipos de dispositivos electrónicos. Si hay componentes electrónicos en un equipo, también están integrados en varios tamaños de PCB. Además de fijar varias piezas pequeñas, la función principal de la PCB es proporcionar conexiones eléctricas entre los componentes. A medida que los equipos electrónicos se vuelven cada vez más complejos, se necesitan más y más piezas, y el cableado y las piezas de la PCB se vuelven cada vez más densos. Un PCB estándar se parece a esto. Bare Board (without parts on it) is also often referred to as “Printed Wiring Board (PWB).

The substrate of the board itself is made of a material that is insulated and resistant to bending. El material de línea pequeña que se puede ver en la superficie es una lámina de cobre. Originalmente, la lámina de cobre se cubre en todo el tablero, y la parte media se graba en el proceso de fabricación, y la parte restante se convierte en una red de pequeñas líneas. Estas líneas se denominan conductores o conductores y se utilizan para proporcionar conexiones eléctricas a partes de la PCB.

To secure parts to the PCB, we solder their pins directly to the wiring. En una PCB básica, las piezas se concentran en un lado y los cables se concentran en el otro. Entonces necesitamos hacer agujeros en la placa para que los pines puedan pasar a través de la placa hacia el otro lado, de modo que los pines de las piezas se suelden al otro lado. Debido a esto, los lados frontal y posterior de una PCB se denominan lado de componente y lado de soldadura, respectivamente.

Si hay piezas en la PCB que se pueden quitar o volver a colocar después de la fabricación, se utilizará Socket para instalar las piezas. Debido a que el zócalo está soldado directamente a la placa, las piezas se pueden desmontar arbitrariamente. Un enchufe ZIF (Zero InserTIon Force) permite insertar y extraer piezas fácilmente. La palanca al lado del enchufe puede mantener las piezas en su lugar después de insertarlas.

To connect two PCBS to each other, an edge connector is commonly used. El dedo dorado contiene una serie de almohadillas de cobre desnudas que en realidad forman parte del cableado de la PCB. Normalmente, para conectar, insertamos el dedo dorado en una PCB en la ranura apropiada (comúnmente llamada ranura de expansión) en la otra PCB. En las computadoras, las tarjetas de visualización, las tarjetas de sonido y las tarjetas de interfaz similares se conectan a la placa base por medio de un dedo dorado.

El color verde o marrón de la PCB es el color de la máscara de soldadura. Esta capa es un escudo aislante que protege el alambre de cobre y evita que las piezas se suelden en el lugar equivocado. Se imprimirá otra serigrafía en la capa de resistencia a la soldadura. Suele estar impreso con palabras y símbolos (en su mayoría blancos) para indicar la posición de las piezas en el tablero. Screen printing surface is also known as icon surface

Leyenda).

Tableros de una cara

Como mencionamos, en una PCB básica, las partes se concentran en un lado y los cables se concentran en el otro. Because the wire appears on only one side, we call this TYPE of PCB single-sided. Debido a que los paneles individuales tenían muchas restricciones estrictas en el diseño del circuito (debido a que solo había un lado, el cableado no podía cruzarse y tenía que tomar una ruta separada), solo los primeros circuitos usaban tales placas.

Tableros de doble cara

La placa de circuito tiene cableado en ambos lados. Pero para usar ambos cables, debe haber conexiones eléctricas adecuadas entre los dos lados. Este “puente” entre circuitos se denomina orificio guía (VIA). Los orificios guía son pequeños orificios en la PCB rellenos o recubiertos con metal que se pueden conectar a cables en ambos lados. Because a dual panel has twice the area of a single panel, and because the wiring can be interlaced (it can be wound around to the other side), it is better for more complex circuits than a single panel.

Multi-layer Boards

Para aumentar el área que se puede cablear, se utilizan más tableros de cableado de una o dos caras. El tablero multicapa utiliza varios paneles dobles, y se coloca una capa de aislamiento entre cada panel y se pega (prensa). El número de capas de la placa representa varias capas de cableado independientes, generalmente un número par de capas, incluidas las dos capas más externas. Most motherboards are built with four to eight layers, but it is technically possible to build up to 100 layers of PCBS. La mayoría de las grandes supercomputadoras utilizan bastantes capas de placas base, pero han dejado de utilizarse ya que pueden ser reemplazadas por grupos de computadoras ordinarias. Debido a que las capas en una PCB están tan estrechamente integradas, no siempre es fácil ver el número real, pero si observa de cerca la placa base, es posible que pueda verlo.

El orificio de guía (VIA) que acabamos de mencionar, si se aplica a un panel doble, debe atravesar todo el tablero.

Pero en una capa múltiple, si solo desea conectar algunas de las líneas, los orificios de guía pueden desperdiciar parte del espacio de la línea en las otras capas. Buried vias and Blind vias avoid this problem because they only penetrate a few layers. Blind holes connect several layers of internal PCBS to surface PCBS without penetrating the entire board. Los agujeros enterrados solo están conectados a la PCB interna, por lo que la luz no es visible desde la superficie.

En una placa de circuito impreso multicapa, toda la capa está conectada directamente al cable de tierra y a la fuente de alimentación. So we classify the layers as Signal, Power or Ground. If the parts on the PCB require different power supplies, they usually have more than two power and wire layers.

Tecnología de embalaje de piezas

Tecnología de orificio pasante

La técnica de colocar piezas en un lado de la placa y soldar los pines al otro lado se llama encapsulación con tecnología de orificio pasante (THT). Esta pieza ocupa mucho espacio y se perfora un orificio para cada pasador. Entonces, sus juntas ocupan espacio en ambos lados y las juntas de soldadura son relativamente grandes. Por otro lado, las piezas THT están mejor conectadas a PCB que las piezas con tecnología de montaje en superficie (SMT), de las que hablaremos más adelante. Los enchufes como los enchufes con cable e interfaces similares deben ser tolerantes a la presión, por lo que generalmente son paquetes THT.

Tecnología de montaje en superficie

Para las piezas con tecnología de montaje en superficie (SMT), el pasador se suelda en el mismo lado que las piezas. This technique does not drill holes in the PCB for each pin.

Las piezas adhesivas de superficie pueden incluso soldarse por ambos lados.

SMT también tiene partes más pequeñas que THT. Compared to PCB with THT parts, PCB with SMT technology is much denser. Las piezas del paquete SMT también son menos costosas que las THT. So it’s no surprise that most of today’s PCBS are SMT.

Because the solder joints and pins of parts are very small, it is very difficult to weld them manually. However, given that current assembly is fully automated, this problem will only occur when repairing parts.

The design process

En el diseño de PCB, en realidad hay pasos muy largos que realizar antes del cableado formal. El siguiente es el proceso de diseño principal:

The system specifications

First of all, the system specifications of the electronic equipment should be planned. Cubre la funcionalidad del sistema, las limitaciones de costos, el tamaño, el funcionamiento, etc.

System function block diagram

El siguiente paso es crear un diagrama de bloques funcional del sistema. También se debe marcar la relación entre los cuadrados.

Divida el sistema en varios PCBS

Dividir el sistema en varios PCBS no solo reduce el tamaño, sino que también le da al sistema la capacidad de actualizar e intercambiar partes. The system function block diagram provides the basis for our segmentation. Computers, for example, can be divided into motherboards, display cards, sound cards, floppy disk drives, power supplies, and so on.

Determine el método de empaque que se utilizará y el tamaño de cada PCB

Once the technology and the number of circuits used for each PCB has been determined, the next step is to determine the size of the board. If the design is too large, then packaging technology will have to change, or re-split the action. La calidad y la velocidad del diagrama de circuito también deben tenerse en cuenta al seleccionar la tecnología.

Dibujar diagramas de circuitos esquemáticos de todos los PCB

Los detalles de las interconexiones entre las partes deben mostrarse en el croquis. Se deben describir los PCB en todos los sistemas, y la mayoría de ellos utilizan CAD (Diseño Asistido por Computadora) en la actualidad. Here is an example of a CircuitMakerTM design.

Diagrama esquemático del circuito de PCB

Preliminary design of simulation operation

To ensure that the designed circuit diagram works, it must first be simulated using computer software. Dicho software puede leer planos y mostrar cómo funciona el circuito de muchas formas. This is much more efficient than actually making a sample PCB and then measuring it manually.

Place the parts on the PCB

La forma en que se colocan las piezas depende de cómo estén conectadas entre sí. Deben estar conectados al camino de la manera más eficiente. Efficient wiring means the shortest possible wiring and fewer layers (which also reduces the number of guide holes), but we’ll come back to this in actual wiring. Here is what the bus looks like on a PCB. Placement is important in order for each part to have perfect wiring.

Test wiring possibilities with correct operation at high speed

Algunos de los programas informáticos actuales pueden comprobar si la ubicación de cada componente se puede conectar correctamente o comprobar si puede funcionar correctamente a alta velocidad. Este paso se llama organizar partes, pero no vamos a ir demasiado lejos en esto. Si hay un problema con el diseño del circuito, las piezas también se pueden reorganizar antes de exportar el circuito al campo.

Exportar circuito en PCB

The connections in the sketch will now look like wiring in the field. Este paso suele ser totalmente automático, aunque normalmente se requieren cambios manuales. Below is the wire template for 2 laminates. Las líneas rojas y azules representan la capa de piezas de PCB y la capa de soldadura, respectivamente. El texto blanco y los cuadrados representan las marcas en la superficie de la serigrafía. Los puntos y círculos rojos representan orificios de perforación y guía. On the far right we can see the gold finger on the welding surface of the PCB. La composición final de este PCB a menudo se conoce como obra de arte de trabajo.

Cada diseño debe ajustarse a un conjunto de reglas, como espacios reservados mínimos entre líneas, anchos mínimos de línea y otras limitaciones prácticas similares. Estas especificaciones varían según la velocidad del circuito, la fuerza de la señal a transmitir, la sensibilidad del circuito al consumo de energía y al ruido, y la calidad del material y equipo de fabricación. If the strength of the current increases, the thickness of the wire must also increase. Para reducir los costos de PCB, al tiempo que se reduce el número de capas, también es necesario prestar atención a si estas regulaciones aún se cumplen. Si se necesitan más de 2 capas, la capa de potencia y la capa de tierra se usan generalmente para evitar que la señal de transmisión en la capa de señal se vea afectada, y se pueden usar como un escudo de la capa de señal.

Cable después de la prueba del circuito

Para asegurarse de que la línea funcione correctamente detrás del cable, debe pasar la prueba final. Esta prueba también verifica si hay conexiones incorrectas y todas las conexiones siguen el diagrama esquemático.

Establecer y archivar

Debido a que actualmente existen muchas herramientas CAD para diseñar PCBS, los fabricantes deben tener un perfil que cumpla con los estándares antes de poder fabricar tableros. Hay varias especificaciones estándar, pero la más común es la especificación Gerber Files. Un conjunto de archivos Gerber incluye un plano de cada capa de señal, potencia y tierra, un plano de la capa de resistencia a la soldadura y la superficie de serigrafía, y archivos específicos de perforación y desplazamiento.

Electromagnetic compatibility problem

Es probable que los dispositivos electrónicos que no están diseñados según las especificaciones de EMC emitan energía electromagnética e interfieran con los aparatos cercanos. EMC impone límites máximos en interferencia electromagnética (EMI), campo electromagnético (EMF) e interferencia de radiofrecuencia (RFI). Esta regulación puede garantizar el funcionamiento normal del aparato y otros aparatos cercanos. EMC impone límites estrictos a la cantidad de energía que se puede dispersar o transmitir de un dispositivo a otro, y está diseñado para reducir la susceptibilidad a EMF, EMI, RFI externos, etc. En otras palabras, el propósito de este reglamento es evitar que la energía electromagnética entre o emane del dispositivo. Este es un problema muy difícil de resolver y, por lo general, se resuelve mediante el uso de capas de alimentación y puesta a tierra, o colocando PCBS en cajas metálicas. The power and ground layers protect the signal layer from interference, and the metal box works equally well. No profundizaremos en estos temas.

La velocidad máxima del circuito depende del cumplimiento de EMC. La EMI interna, como la pérdida de corriente entre conductores, aumenta a medida que aumenta la frecuencia. Si la diferencia actual entre los dos es demasiado grande, asegúrese de alargar la distancia entre ellos. This also tells us how to avoid high voltage and minimize the current consumption of the circuit. La tasa de retraso en el cableado también es importante, por lo que cuanto menor sea la longitud, mejor. Por lo tanto, una PCB pequeña con un buen cableado funcionará mejor a altas velocidades que una PCB grande.