Cinco pautas de diseño de PCB que los diseñadores de PCB deben aprender

Al comienzo del nuevo diseño, la mayor parte del tiempo se dedicó al diseño del circuito y la selección de componentes, y la PCB El diseño y la etapa de cableado a menudo no se consideraron de manera integral debido a la falta de experiencia. No dedicar suficiente tiempo y esfuerzo al diseño de la PCB y la fase de enrutamiento del diseño puede generar problemas en la etapa de fabricación o defectos funcionales cuando el diseño pasa del dominio digital a la realidad física. Entonces, ¿cuál es la clave para diseñar una placa de circuito que sea auténtica tanto en papel como en forma física? Exploremos las cinco principales pautas de diseño de PCB que debe conocer al diseñar un PCB funcional y fabricable.

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1 – Ajuste el diseño de sus componentes

La fase de colocación de componentes del proceso de diseño de PCB es tanto una ciencia como un arte, que requiere una consideración estratégica de los componentes primarios disponibles en la placa. Si bien este proceso puede ser un desafío, la forma en que coloque los componentes electrónicos determinará qué tan fácil es fabricar su placa y qué tan bien cumple con sus requisitos de diseño original.

Si bien existe un orden general general para la ubicación de los componentes, como la ubicación secuencial de conectores, componentes de montaje de PCB, circuitos de alimentación, circuitos de precisión, circuitos críticos, etc., también hay algunas pautas específicas a tener en cuenta, que incluyen:

Orientación: asegurarse de que los componentes similares estén colocados en la misma dirección ayudará a lograr un proceso de soldadura eficiente y sin errores.

Colocación: evite colocar componentes más pequeños detrás de componentes más grandes donde puedan verse afectados por la soldadura de componentes más grandes.

Organización: se recomienda que todos los componentes de montaje en superficie (SMT) se coloquen en el mismo lado de la placa y que todos los componentes de orificios pasantes (TH) se coloquen en la parte superior de la placa para minimizar los pasos de montaje.

Una pauta final de diseño de PCB: cuando se utilizan componentes de tecnología mixta (componentes de montaje en superficie y de orificio pasante), el fabricante puede requerir procesos adicionales para ensamblar la placa, lo que aumentará su costo total.

Buena orientación del componente del chip (izquierda) y mala orientación del componente del chip (derecha)

Buena ubicación de los componentes (izquierda) y mala ubicación de los componentes (derecha)

No. 2 – Ubicación adecuada del cableado de alimentación, conexión a tierra y señal

Después de colocar los componentes, puede colocar la fuente de alimentación, la conexión a tierra y el cableado de señal para asegurarse de que su señal tenga una ruta limpia y sin problemas. En esta etapa del proceso de diseño, tenga en cuenta las siguientes pautas:

Ubique las capas de la fuente de alimentación y del plano de puesta a tierra

Siempre se recomienda que la fuente de alimentación y las capas del plano de tierra se coloquen dentro de la placa mientras sean simétricas y centradas. Esto ayuda a evitar que su placa de circuito se doble, lo que también es importante si sus componentes están colocados correctamente. Para alimentar el IC, se recomienda utilizar un canal común para cada fuente de alimentación, garantizar un ancho de cableado firme y estable y evitar las conexiones de alimentación en cadena tipo margarita de dispositivo a dispositivo.

Los cables de señal están conectados a través de cables.

A continuación, conecte la línea de señal de acuerdo con el diseño en el diagrama esquemático. Se recomienda tomar siempre la ruta más corta posible y la ruta directa entre los componentes. Si sus componentes necesitan colocarse horizontalmente sin polarización, se recomienda que básicamente conecte los componentes de la placa horizontalmente donde salen del cable y luego los conecte verticalmente después de que salgan del cable. Esto mantendrá el componente en posición horizontal mientras la soldadura migra durante la soldadura. Como se muestra en la mitad superior de la figura siguiente. El cableado de señal que se muestra en la parte inferior de la figura puede provocar la deflexión de los componentes a medida que la soldadura fluye durante la soldadura.

Cableado recomendado (las flechas indican la dirección del flujo de soldadura)

Cableado no recomendado (las flechas indican la dirección del flujo de soldadura)

Definir el ancho de la red

Su diseño puede requerir diferentes redes que llevarán varias corrientes, lo que determinará el ancho de red requerido. Teniendo en cuenta este requisito básico, se recomienda proporcionar anchos de 0.010 ”(10 mil) para señales analógicas y digitales de baja corriente. Cuando la corriente de su línea excede los 0.3 amperios, debe ampliarse. Aquí hay una calculadora de ancho de línea gratuita para facilitar el proceso de conversión.

Número tres. – Cuarentena efectiva

Probablemente haya experimentado cómo los grandes picos de voltaje y corriente en los circuitos de suministro de energía pueden interferir con sus circuitos de control de corriente de bajo voltaje. Para minimizar tales problemas de interferencia, siga las siguientes pautas:

Aislamiento: asegúrese de que cada fuente de alimentación se mantenga separada de la fuente de alimentación y la fuente de control. Si debe conectarlos juntos en la PCB, asegúrese de que esté lo más cerca posible del final de la ruta de alimentación.

Disposición: si ha colocado un plano de tierra en la capa intermedia, asegúrese de colocar una pequeña ruta de impedancia para reducir el riesgo de cualquier interferencia en el circuito de alimentación y ayudar a proteger su señal de control. Se pueden seguir las mismas pautas para mantener separados los dispositivos digitales y analógicos.

Acoplamiento: para reducir el acoplamiento capacitivo debido a la colocación de grandes planos de tierra y cableado por encima y por debajo de ellos, intente cruzar simular tierra solo a través de líneas de señal analógica.

Ejemplos de aislamiento de componentes (digital y analógico)

No.4 – Resuelve el problema del calor

¿Alguna vez ha tenido una degradación del rendimiento del circuito o incluso daños en la placa de circuito debido a problemas de calor? Debido a que no se tiene en cuenta la disipación de calor, muchos diseñadores han tenido muchos problemas. Aquí hay algunas pautas que debe tener en cuenta para ayudar a resolver los problemas de disipación de calor:

Identificar componentes problemáticos

El primer paso es empezar a pensar en qué componentes disiparán la mayor parte del calor de la placa. Esto se puede hacer encontrando primero el nivel de “resistencia térmica” en la hoja de datos del componente y luego siguiendo las pautas sugeridas para transferir el calor generado. Por supuesto, puede agregar radiadores y ventiladores de refrigeración para mantener los componentes fríos, y recuerde mantener los componentes críticos alejados de cualquier fuente de calor.

Agregue almohadillas de aire caliente

La adición de almohadillas de aire caliente es muy útil para placas de circuitos fabricables, son esenciales para componentes con alto contenido de cobre y aplicaciones de soldadura por ola en placas de circuitos multicapa. Debido a la dificultad de mantener la temperatura del proceso, siempre se recomienda usar almohadillas de aire caliente en los componentes del orificio pasante para simplificar el proceso de soldadura al disminuir la velocidad de disipación de calor en los pasadores de los componentes.

Como regla general, siempre conecte cualquier orificio pasante o pasante conectado al suelo o al plano de potencia utilizando una almohadilla de aire caliente. Además de las almohadillas de aire caliente, también puede agregar gotas de lágrima en la ubicación de la línea de conexión de la almohadilla para proporcionar soporte adicional de lámina de cobre / metal. Esto ayudará a reducir el estrés mecánico y térmico.

Conexión típica de almohadilla de aire caliente

Ciencia de la almohadilla de aire caliente:

Muchos ingenieros a cargo de Procesos o SMT en una fábrica a menudo se encuentran con energía eléctrica espontánea, como defectos en el tablero eléctrico, como vacío espontáneo, deshumedecimiento o humedecimiento en frío. No importa cómo cambiar las condiciones del proceso o cómo ajustar la temperatura del horno de soldadura por reflujo, hay una cierta proporción de estaño que no se puede soldar. ¿Qué diablos está pasando aquí?

Aparte de los componentes y el problema de oxidación de las placas de circuito, investigue su regreso después de que una gran parte de la soldadura defectuosa existente en realidad proviene de la falta de diseño del cableado (diseño) de la placa de circuito, y uno de los más comunes está en los componentes de un Ciertos pies de soldadura conectados a la hoja de cobre de un área grande, estos componentes después de los pies de soldadura de soldadura por reflujo, Algunos componentes soldados a mano también pueden causar problemas de soldadura o revestimiento falsos debido a situaciones similares, y algunos incluso no pueden soldar los componentes debido a un calentamiento demasiado prolongado.

La PCB general en el diseño del circuito a menudo necesita colocar una gran área de lámina de cobre como fuente de alimentación (Vcc, Vdd o Vss) y tierra (GND, tierra). Estas grandes áreas de lámina de cobre generalmente están conectadas directamente a algunos circuitos de control (ICS) y pines de componentes electrónicos.

Desafortunadamente, si queremos calentar estas grandes áreas de lámina de cobre a la temperatura de fusión del estaño, generalmente lleva más tiempo que las almohadillas individuales (el calentamiento es más lento) y la disipación de calor es más rápida. Cuando un extremo de un cableado de lámina de cobre tan grande está conectado a componentes pequeños como resistencia pequeña y capacitancia pequeña, y el otro extremo no lo está, es fácil soldar problemas debido a la inconsistencia del estaño fundido y el tiempo de solidificación; Si la curva de temperatura de la soldadura por reflujo no se ajusta bien y el tiempo de precalentamiento es insuficiente, los pies de soldadura de estos componentes conectados en una lámina de cobre grande pueden causar fácilmente el problema de la soldadura virtual porque no pueden alcanzar la temperatura del estaño de fusión.

Durante la soldadura manual, las juntas de soldadura de los componentes conectados a láminas de cobre grandes se disiparán demasiado rápido para completarse dentro del tiempo requerido. Los defectos más comunes son la soldadura y la soldadura virtual, donde la soldadura solo se suelda al pin del componente y no se conecta a la almohadilla de la placa de circuito. A partir de la apariencia, toda la junta de soldadura formará una bola; Es más, el operador para soldar los pies de soldadura en la placa de circuito y aumentar constantemente la temperatura del soldador, o calentar durante demasiado tiempo, de modo que los componentes excedan la temperatura de resistencia al calor y se dañen sin saberlo. Como se muestra en la figura siguiente.

Dado que conocemos el punto del problema, podemos resolver el problema. Generalmente, requerimos el llamado diseño de almohadilla de alivio térmico para resolver el problema de soldadura causado por las patas de soldadura de los elementos de conexión de láminas de cobre grandes. Como se muestra en la figura siguiente, el cableado de la izquierda no utiliza una almohadilla de aire caliente, mientras que el cableado de la derecha ha adoptado una conexión de almohadilla de aire caliente. Se puede ver que solo hay unas pocas líneas pequeñas en el área de contacto entre la almohadilla y la lámina de cobre grande, lo que puede limitar en gran medida la pérdida de temperatura en la almohadilla y lograr un mejor efecto de soldadura.

No. 5 – Revisa tu trabajo

Es fácil sentirse abrumado al final de un proyecto de diseño cuando resopla y resopla todas las piezas juntas. Por lo tanto, verificar dos o tres veces su esfuerzo de diseño en esta etapa puede significar la diferencia entre el éxito y el fracaso de la fabricación.

Para ayudar a completar el proceso de control de calidad, siempre recomendamos que comience con una verificación de reglas eléctricas (ERC) y una verificación de reglas de diseño (DRC) para verificar que su diseño cumpla completamente con todas las reglas y restricciones. Con ambos sistemas, puede verificar fácilmente los anchos de espacio libre, los anchos de línea, los ajustes de fabricación comunes, los requisitos de alta velocidad y los cortocircuitos.

Cuando su ERC y DRC produzcan resultados sin errores, se recomienda que verifique el cableado de cada señal, desde el esquema hasta la PCB, una línea de señal a la vez para asegurarse de que no se pierda ninguna información. Además, use las capacidades de prueba y enmascaramiento de su herramienta de diseño para asegurarse de que el material de diseño de su PCB coincida con su esquema.