Desde los diseños de planos hasta la producción en masa real, una placa de circuito impreso (PCB) debe superar numerosos obstáculos, incluyendo la procesabilidad, la fabricabilidad, la integridad de la señal y la compatibilidad electromagnética (EMC). Este artículo describirá sistemáticamente la lógica de diseño en torno a 13 conceptos centrales comunes pero cruciales en el diseño de PCB, mejorando su pensamiento de ingeniería de PCB y sus capacidades de diseño.
1. Material de la placa FR4: La piedra angular del mundo de la señal
FR-4, el sustrato de PCB más utilizado, es un laminado revestido de cobre hecho de fibra de vidrio y resina epoxi. Su resistencia al calor se mide por Tg (temperatura de transición vítrea).
- Placa de baja Tg (Tg≈130℃): Utilizada para aplicaciones generales.
- Placa de Tg media (Tg>150℃): Adecuada para circuitos de complejidad media.
- Placa de alta Tg (Tg≥170℃): Recomendada para entornos de soldadura a alta temperatura, procesos sin plomo y escenarios de alta fiabilidad, como automoción y comunicaciones.
Las placas de alta Tg no solo tienen una fuerte resistencia al calor, sino que también mejoran significativamente la resistencia a la humedad y a los productos químicos, asegurando la estabilidad dimensional de las placas multicapa durante la operación a largo plazo.
2. Coincidencia de impedancia: El "guardián" del enrutamiento de señales de alta velocidad
En circuitos digitales de alta velocidad (como DDR, USB, PCIe), las señales sin una coincidencia de impedancia precisa experimentarán problemas como reflexión y diafonía. Los métodos comunes de control de impedancia incluyen:
- Impedancia diferencial: 100Ω/90Ω
- Impedancia de un solo extremo: 50Ω
¿Cómo diseñar la coincidencia? Se requiere una simulación precisa, teniendo en cuenta factores como la pila de capas, el ancho y el espaciado de las trazas, el plano de referencia y la constante dieléctrica.
3. Procesos de tratamiento de superficies: Determinación de la calidad y la vida útil de la soldadura
Cinco tratamientos de superficie comunes:
| Proceso |
Ventajas |
Desventajas |
Escenarios aplicables |
| Estaño por inmersión |
Bajo costo; Proceso maduro y estable |
Superficie irregular; Tasa de oxidación rápida |
Productos electrónicos de consumo producidos en masa |
| Estaño por inmersión |
Excelente planitud de la superficie |
Susceptible a la oxidación y el ennegrecimiento |
Productos de equipos de comunicación |
| Oro por inmersión |
Excelente soldabilidad; Excelente rendimiento de contacto eléctrico |
Alto costo de fabricación |
Placas de circuito de alta frecuencia; Placas empaquetadas BGA (Ball Grid Array) |
| Chapado en oro |
Alta dureza superficial; Fuerte resistencia al desgaste |
Pobre soldabilidad |
Dedos de oro de PCB; Componentes de contacto de botón |
| OSP (Preservativo de soldabilidad orgánico) |
Costo ultrabajo; Operación simple |
Fácil de oxidar; Poca fiabilidad a largo plazo |
Prototipado rápido de placas de circuito; Producción de prueba de ciclo corto |
Se recomienda encarecidamente el oro por inmersión o el estaño por inmersión para el control de impedancia de alta frecuencia. El estaño por inmersión no se puede utilizar en placas empaquetadas BGA.
4. Núcleo de la placa/Prepreg: Materiales clave que determinan el grosor de la placa, la pila de capas y el rendimiento eléctrico
El núcleo de la placa (Core) + PP (Prepreg) determina la estructura y la estabilidad de la placa multicapa. Su grosor, la velocidad de flujo de la resina y las constantes eléctricas deben considerarse en conjunto con la simulación de la pila de capas.
- Núcleo: Placa rígida con laminación de cobre de doble cara
- PP: Resina semisólida utilizada para la unión entre capas
Las proporciones adecuadas son cruciales para evitar problemas de proceso como la deformación de la placa, los vacíos y el desprendimiento de cobre durante la laminación.
5. Líneas diferenciales: El enrutamiento simétrico es esencial para la integridad de la señal
Las señales diferenciales se utilizan para la transmisión de datos de alta velocidad, como LVDS, USB y PCIe, y deben cumplir los siguientes requisitos:
- Igual longitud, ancho y espaciado
- Referencia de plano de tierra consistente
- Evitar planos de referencia discontinuos
La asimetría en las trazas diferenciales afecta directamente a la asimetría del reloj y a la diafonía, y debe considerarse exhaustivamente durante la fase de diseño.
6. Integridad de la señal (SI): El alma del diseño de PCB de alta velocidad
Cinco factores principales que afectan a la integridad de la señal:
- Reflexión (desajuste de impedancia)
- Diafonía (trazas demasiado juntas)
- Rebote de tierra (interferencia de corriente de retorno de tierra generada por la conmutación simultánea de múltiples chips)
- Diseño de filtrado inadecuado
- Diseño de estructura de PCB inadecuado
Los problemas de SI a menudo conducen a fallos del sistema, reinicios frecuentes y errores de datos.
7. Reflexión de la señal: Evitar que las señales "vuelvan por el mismo camino"
La reflexión de la señal puede causar:
- Sobreimpulso
- Subimpulso
- Timbre
- Formas de onda escalonadas
Para controlar la reflexión, además de la coincidencia de impedancia, es necesaria una coincidencia de terminación adecuada (extremos de origen y carga), y deben evitarse las interrupciones del plano de referencia.
8. Diafonía: "Contaminación acústica" entre las líneas de señal
Las líneas de alta velocidad muy juntas sin una referencia de tierra generarán una diafonía severa, especialmente notable en el enrutamiento paralelo de DDR o bus de alta velocidad.
Acoplamiento capacitivo → Diafonía de corriente
Acoplamiento inductivo → Diafonía de tensión
Soluciones: Añadir protecciones de plano de tierra, mantener el espaciado adecuado entre las trazas y controlar la dirección de las trazas.
9. Capa de alimentación interna: El arma secreta para una alimentación estable y la supresión de interferencias
La alimentación y la tierra deben diseñarse como planos de gran área con una partición razonable y una colocación densa de vías para evitar islas flotantes y bucles de alimentación rotos.
10. Vías ciegas/enterradas: Una técnica clave en el diseño de PCB de alta densidad
- Vía ciega de primer orden: L2-TOP
- Vía ciega de segundo orden: L3-TOP
- Vía enterrada: Interconectada entre L3-L6
Las vías ciegas/enterradas se utilizan ampliamente en las placas HDI, mejorando significativamente la utilización del espacio, pero imponen altos requisitos de coste y procesamiento.
11. Puntos de prueba: "Fusibles" para la depuración de la producción en masa
Se utilizan para pruebas funcionales, programación en circuito y posicionamiento de depuración. Las áreas de chips BGA deben abordarse utilizando sondas volantes o escaneo de límites.
12. Puntos de marca: Garantizar la precisión de la colocación SMT
Se utilizan para el posicionamiento de la colocación SMT. Recomendaciones de diseño de puntos de marca:
- Principalmente circular de 1 mm;
- Dejar aberturas de máscara de soldadura alrededor de los puntos de marca;
- Tres puntos de marca en la placa deben estar dispuestos simétricamente con una lámina de cobre de fondo consistente.
13. Agujeros PTH/NPTH: Portadores para la conexión y la fijación
- PTH (Agujero metalizado): Utilizado para conexiones eléctricas;
- NPTH (Agujero no metálico): Utilizado para el posicionamiento estructural, la instalación de tornillos, etc.
Los atributos de los agujeros deben marcarse con precisión en el archivo de ingeniería durante el procesamiento para evitar la reelaboración.
Conclusión: Dominar los detalles clave conduce al diseño de PCB de alta calidad
El diseño de PCB no es simplemente "dibujar", sino un complejo proyecto de ingeniería de sistemas que considera el rendimiento eléctrico, la viabilidad del proceso, los costes de producción y el mantenimiento futuro. Comprender la lógica de diseño y la importancia de la ingeniería detrás de cada término es el punto de partida para convertirse en un ingeniero de PCB profesional.
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