{"id":197,"date":"2014-04-25T18:37:32","date_gmt":"2014-04-25T18:37:32","guid":{"rendered":"http:\/\/hetpro-store.com\/TUTORIALES\/?page_id=197"},"modified":"2022-10-13T14:02:14","modified_gmt":"2022-10-13T14:02:14","slug":"guia-diseno-de-pcb-con-eagle","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/hetpro-store.com\/TUTORIALES\/guia-diseno-de-pcb-con-eagle\/","title":{"rendered":"Gu\u00eda dise\u00f1o de PCB con EAGLE"},"content":{"rendered":"\n

Guia de dise\u00f1o de PCB con Eagle. Primero una tarjeta de circuito impreso o PCB (del ingl\u00e9s printed circuit board<\/em>), es un dispositivo compuesto por trazas de material conductor laminado sobre una base no conductiva o material diel\u00e9ctrico. La tarjeta se usa para realizar interconexiones entre los componentes. Tambi\u00e9n presenta muchas ventajas sobre tarjetas de prototipo, como una superficie para montar los componentes, conexiones fijas, mayor inmunidad a ruido, menor probabilidad de fallas, entre otras.<\/p>\n\n\n\n

Dise\u00f1o de PCB<\/h2>\n\n\n\n

El dise\u00f1o de PCB de tarjetas de circuito impreso se considera un \u00e1rea en constante desarrollo ya que d\u00eda con d\u00eda los componentes aparecen con tama\u00f1os m\u00e1s peque\u00f1os, con mayor cantidad de pines y con frecuencias de reloj m\u00e1s altas. Dise\u00f1ar un proyecto de manera profesional con dispositivos con nuevas tecnolog\u00edas como FPGAs<\/em>, DSPs<\/em>, sensores digitales, y m\u00e1s componentes, requiere de conocer bien cu\u00e1les son las t\u00e9cnicas m\u00e1s efectivas, tener una buena experiencia y conocer bien c\u00f3mo funcionan los programas de dise\u00f1o.
Dise\u00f1o de PCB
El Dise\u00f1o de PCB de tarjetas de circuito impreso ha ido evolucionando desde la interconexi\u00f3n en donde se consideraba que para fines pr\u00e1cticos al cambiar el estado de una se\u00f1al a trav\u00e9s de un pin de un dispositivo, el cambio en el elemento receptor se percib\u00eda inmediatamente. Hoy en d\u00eda las frecuencias de los dispositivo (en el orden de los Ghz, para algunos casos), como la cantidad de pines (m\u00e1s de 250 en algunos casos), y los tama\u00f1os reducidos de los PCBs (con trazas de hasta 4 mil\u00e9simas de pulgadas de ancho), lo que genera una nueva familia de efectos en los dise\u00f1os como desfase de se\u00f1ales, perdidas de transmisi\u00f3n, interferencia destructiva, reflexiones etc. Estos efectos no se pretenden analizar en esta gu\u00eda m\u00e1s se recomienda revisarlos para futuros proyectos.<\/p>\n\n\n\n

\"Dise\u00f1o<\/a><\/figure>\n\n\n\n

Existen diferentes formatos de salida para los programas de dise\u00f1o de PCB. Si la tarjeta es un prototipo de fabricaci\u00f3n profesional se exporta el dise\u00f1o en el formato RS-247X (tambi\u00e9n conocidos como archivos gerber<\/em>). Si la tarjeta es para realizar un prototipo manual solamente es necesario realizar la impresi\u00f3n de las capas de cobre.
<\/p>\n\n\n\n

Figura 1.1<\/strong>. PCB de doble capa dise\u00f1ada con el software EAGLE<\/a>.\u00a0Dise\u00f1o de PCB.<\/p>\n\n\n\n

En la figura 1.1 se observa el dise\u00f1o de PCB en donde se pueden ver ambas capas de la tarjeta, en la mayor\u00eda de los casos estaremos limitados a trabajar con una o dos capas de conexiones, pero hoy en d\u00eda hay procesos de manufactura que permiten m\u00e1s de 26 capas siendo 24 internas.<\/p>\n\n\n\n

DEFINICIONES GENERALES PARA EL PCB<\/h2>\n\n\n\n

La siguiente lista de definiciones se escribe de manera introductoria a la terminolog\u00eda del dise\u00f1o de tarjetas de circuito impreso, es altamente recomendable que se investigue con m\u00e1s detalle todas y cada una de ellas para poder tener un mejor entendimiento de los procesos de dise\u00f1o de las PCBs.<\/p>\n\n\n\n

Esquem\u00e1tico<\/h3>\n\n\n\n

El esquem\u00e1tico o diagrama esquem\u00e1tico, representa una visualizaci\u00f3n de las interconexiones de los elementos del circuito a realizar. Para los programas de dise\u00f1o las conexiones se les conocen como Nets. Es recomendable realizar pruebas en una tarjeta de prototipos de ser posible para validar la funcionalidad del esquem\u00e1tico, o hacer uso de software de simulaci\u00f3n como lo son aquellos derivados de SPICE.<\/p>\n\n\n\n

\"Dise\u00f1o<\/a><\/figure>\n\n\n\n

Figura 1.2<\/strong>. Diagrama esquem\u00e1tico para un reloj de tiempo real.<\/p>\n\n\n\n

Boardfile \u2013 Layout<\/h3>\n\n\n\n

El Boarfile<\/em> es el archivo en donde se realiza el dise\u00f1o f\u00edsico de la tarjeta. El dise\u00f1o de la misma se le conoce como Layout<\/em>. Se puede observar en la figura 1.1 el boardfile<\/em>, que es el archivo en general, el layout <\/em>del boardfile <\/em>es la manera en que se trazaron las se\u00f1ales o pistas en la tarjeta. Estos conceptos van de la mano. Cuanto se habla del archivo se hace referencia al boardfile <\/em>y cuando se habla del dise\u00f1o en particular se hace referencia al layout<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

Pad en dise\u00f1o<\/h3>\n\n\n\n

El pad<\/em> es la zona en la tarjeta o dise\u00f1o de la misma donde se colocara el pin de alg\u00fan componente, los pads<\/em> suelen ser rectangulares para elementos de montaje superficial, y redondos para los componentes through-hole <\/em>y v\u00edas<\/em>. En el dise\u00f1o el pad<\/em> se suele representar de manera visual solamente como un elemento que parece ser que traspasa toda la PCB. En la figura 1.3 se observan algunos pads<\/em> en dise\u00f1o.<\/p>\n\n\n\n

\"Fabricaci\u00f3n<\/a><\/figure>\n\n\n\n

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Figura 1.3<\/strong>. Pads para diferentes elementos (el pad se encuentra remarcado con las l\u00edneas diagonales).<\/p>\n\n\n\n

Footprint \u2013 Landpattern<\/h3>\n\n\n\n

El footprint<\/em> es dise\u00f1o de los pads<\/em> para un elemento en particular, existen est\u00e1ndares para diferentes empaquetados, como lo son, SOIC<\/em>, SSPO<\/em>, TQFP<\/em>, QFN<\/em>, etc. para circuitos integrados o SOT-23, 1206, 0603, etc. para otros componentes. En las hojas de datos de los dispositivos o componentes electr\u00f3nicos los fabricantes suelen poner las dimensiones de los componentes con lo que se puede generar un footprint<\/em> o en su defecto tambi\u00e9n hay unos que incluyen el dise\u00f1o recomendado del footprint<\/em>. Se puede observar en la figura 1.3 que el circuito integrado del centro recae dentro de los pads <\/em>que se pusieron ah\u00ed para crear su footprint <\/em>determinado para ese dispositivo. Ya que se manejan est\u00e1ndares ese footprint <\/em>podr\u00eda servir para todos los dispositivos que son del mismo empaquetado.<\/p>\n\n\n\n

Pad en el PCB<\/h3>\n\n\n\n

En el PCB el pad<\/em> es aquel elemento o segmento de cobre que conecta una net con un componente de montaje o de through-hole<\/em>, as\u00ed como conecta el barrel<\/em> o centro de la via<\/em> con la capa. Entre las caracter\u00edsticas generales esta que los pads<\/em> son el principal contacto entre las conexiones del PCB con el exterior a trav\u00e9s de los pads<\/em> se sueldan los componentes de montaje superficial y through-hole<\/em>. El soldermask<\/em> es una capa que cubre todo el PCB menos los pads<\/em>, para finalmente ser esta\u00f1ados.<\/p>\n\n\n\n

\"PCB_04\"<\/a><\/figure>\n\n\n\n

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Figura 1.4<\/strong>. PCBs terminadas y fabricadas, se observan varias partes de las mismas.<\/p>\n\n\n\n

Soldermask<\/h3>\n\n\n\n

El soldermask<\/em> es la capa f\u00edsica semitransparente que cubre el PCB en las caras superior e inferior. El soldermask<\/em> se pone sobre la PCB para evitar oxidaci\u00f3n del cobre. El soldermask recubre toda la cara de la PCB a excepci\u00f3n de los pads<\/em> y suele tener color verde, aunque puede ser de otros colores dependiendo del fabricante. En la mayor\u00eda de los programas de dise\u00f1o el soldermask <\/em>viene de la mano con los pads <\/em>ya que a menos que se especifique lo contrario este es un negativo de la capa de pads<\/em> (visto los pads<\/em> desde el punto de vista del PCB).<\/p>\n\n\n\n

Silkscreen<\/h3>\n\n\n\n

El silkscreen<\/em> es una capa de serigraf\u00eda que sirve como indicador sobre la PCB, se recomienda imprimir el nombre del componente, el valor del componente, as\u00ed como el contorno del componente.  Aqu\u00ed se puede imprimir texto con informaci\u00f3n como la revisi\u00f3n, dise\u00f1ador, c\u00f3digo de barras, etiquetas, licencias, marca, instituci\u00f3n, entre otras cosas.<\/p>\n\n\n\n

Stackup<\/h3>\n\n\n\n

El Stackup<\/em> es la definici\u00f3n de las caracter\u00edsticas generales de la PCB a realizar, como anchos de trazas para se\u00f1ales diferenciales<\/em> o single-ended<\/em>, ancho de PCB, material del conductor, material del diel\u00e9ctrico o del n\u00facleo (PCBs con mayor n\u00famero de capas llevan un n\u00facleo de material diel\u00e9ctrico r\u00edgido y capas de resina de diel\u00e9ctrico), entre otras caracter\u00edsticas. Los programas de dise\u00f1o de PCBs suelen tener opciones para declarar el stackup<\/em> a pesar de que solo se recomienda hacerlo para tarjetas de alta velocidad y mayor a 4 capas. Para las PCBs de m\u00faltiples capas el dise\u00f1o del stackup<\/em> se vuelve algo engorroso. La mayor cantidad de fabricantes tienen el servicio de dise\u00f1ar el stackup<\/em> con las caracter\u00edsticas que el cliente desee.<\/p>\n\n\n\n

Net – Se\u00f1al<\/h3>\n\n\n\n

El concepto de Net es un concepto general para la se\u00f1al a trazar sin importar desde que punto de vista se vea, ya sea en esquem\u00e1tico o en layout<\/em>, o si esta trazado el segmento de cobre o no. Una Net por definici\u00f3n solo se limita a un segmento de una l\u00ednea de comunicaci\u00f3n, la misma est\u00e1 limitada por una conexi\u00f3n a un elemento sin importar si es pasivo o activo.  El concepto resulta un poco abstracto por la carencia de una representaci\u00f3n fija.<\/p>\n\n\n\n

Net en esquem\u00e1tico.<\/h3>\n\n\n\n

Dentro de un diagrama esquem\u00e1tico en la mayor\u00eda de los programas y herramientas de dise\u00f1o disponibles, la net<\/em>, es limitada por un elemento activo o pasivo. La net<\/em> tiene un nombre definido (ej. N$15, DATA_2, USB_R_P) por lo que no es indispensable realizar una conexi\u00f3n real o visual. Es posible etiquetar las nets<\/em> y separar por segmentos el diagrama esquem\u00e1tico.<\/p>\n\n\n\n

Rat<\/h3>\n\n\n\n

Una Rat no es m\u00e1s que una net<\/em> en el boardfile<\/em> que no se encuentra trazada por cobre. Una rat no tiene ancho ni un camino especifico. Es un vector que va de elemento a elemento y es definido por el software. El conjunto de rats<\/em> que se encuentran en el boardfile<\/em> antes de ser trazadas se le conoce como ratsnets<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

Traza<\/h3>\n\n\n\n

El concepto m\u00e1s importante y con mayor peso dentro de lo que es una net, es la traza de cobre. Al realizar el routeo<\/em> o el trazo de cobre para realizar la conexi\u00f3n de 2 elementos es posible controlar una gran cantidad de aspectos electromagn\u00e9ticos y t\u00e9rminos de una PCB. La geom\u00e9trica y los espaciamientos con otras se\u00f1ales as\u00ed como los materiales que se utilizan para el dise\u00f1o y la fabricaci\u00f3n de la PCB definen aspectos que determinan la calidad final de la se\u00f1al.<\/p>\n\n\n\n

\"PCB_05\"<\/a><\/figure>\n\n\n\n

 <\/strong><\/p>\n\n\n\n

Figura 1.5<\/strong>. La misma Net representada en el diagrama esquem\u00e1tico, como rat y como traza.<\/p>\n\n\n\n

Via en dise\u00f1o<\/h3>\n\n\n\n

La v\u00eda<\/em> en el dise\u00f1o se utiliza para transferir una traza o net entre diferentes capas, la misma tiene como par\u00e1metros de dise\u00f1o el di\u00e1metro del pad<\/em> y el di\u00e1metro de la perforaci\u00f3n o drill<\/em>. En el dise\u00f1o la via<\/em> se limita a las transiciones de capa pero en el PCB f\u00edsico tambi\u00e9n se le conoce como via<\/em> a la perforaci\u00f3n en los componentes through-hole<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

Via en PCB<\/h3>\n\n\n\n

La v\u00eda<\/em> es com\u00fanmente utilizada en PCBs para montaje de componentes through-hole<\/em> o para interconectar l\u00edneas de transmisi\u00f3n en capas diferentes. Tradicionalmente los efectos de las v\u00edas para tarjetas single-layer<\/em> y multi-layer <\/em>(una capa o varias capas) son despreciados para los casos de frecuencias menores a las decenas de Mhz, para casos en los que supere los 100 Mhz se requiere tomar en cuenta las reglas de dise\u00f1o bajo la integridad de se\u00f1al.<\/p>\n\n\n\n

Las v\u00edas consisten en un barrel<\/em>, pad<\/em> y antipad<\/em>. El Barrel <\/em>es un elemento en forma de tubo el cual es conductivo y llena las paredes de la perforaci\u00f3n. El Pad<\/em> conecta cada extremo del barrel<\/em> a la capa deseada de la PCB este a su vez puede conectarse a un trazo de cobre, a un plano o dejarse sin conectar. El Antipad<\/em> es el espacio sin cobre entre el pad<\/em> y alg\u00fan otro segmento de cobre que no pertenezca a la se\u00f1al del pad<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

Microvia<\/h3>\n\n\n\n

PCBs de alta densidad multi-layer<\/em> pueden tener microvias<\/em>, las cuales pueden ser blind vias<\/em> o burried v\u00edas<\/em>. La Blind via <\/strong>se encuentra expuesta solo de un lado de la tarjeta, esta via<\/em> suele conectar de una capa externa a una capa interna, es por esto su nombre de blind<\/em> o ciego, ya que no se ve a trav\u00e9s de las capas externas, solo de una.La Burried via <\/strong>Conecta capas internas sin ser expuesta a la superficie, estas v\u00edas no tienen contacto con el exterior, representan a\u00fan m\u00e1s problemas de manufactura que la blind via<\/em>, y solo se utilizan cuando son estrictamente necesarias.<\/p>\n\n\n\n

Castellated vias<\/h3>\n\n\n\n

Las castellated vias<\/em> es una caracter\u00edsticas de las vias<\/em> las cuales son posicionadas en la orilla de la PCB para que queden cortadas a la mitad, exponiendo el barril o barrel<\/em> de la via<\/em> para crear una perforaci\u00f3n parcial con el prop\u00f3sito de acoplar PCBs de manera lateral, o montar PCBs sobre otras a manera de circuito impreso. Este tipo de v\u00edas se utilizan como los pines de una PCB para hacer uso de la misma como si fuese un circuito integrado el cual se puede montar sobre otra PCB. Este tipo de v\u00edas se utilizan en gran medida en componentes de comunicaci\u00f3n inal\u00e1mbrica, como m\u00f3dulos de WiFi<\/em>, Bluetooth<\/em>, RF<\/em>, GPRS<\/em>, etc.<\/p>\n\n\n\n

\"PCB_06\"<\/a><\/figure>\n\n\n\n

 <\/strong><\/p>\n\n\n\n

 <\/strong>Figura 1.6<\/strong>. De izquierda a derecha: 1- Via through-hole, 2- Blind via 3- Burried via.<\/p>\n\n\n\n

Layer<\/h3>\n\n\n\n

Capa de dise\u00f1o la cual corresponde a un proceso en la fabricaci\u00f3n del PCB. Las capas o layers <\/em>de cobre se refieren a las capas que ser\u00e1n impresas en el PCB como trazas de cobre. Capas names, values, place <\/em>corresponden a la serigraf\u00eda o silkscreen <\/em>en el PCB. Existen capas de dise\u00f1o que no se contemplan para la fabricaci\u00f3n, entre las que se encuentran docu, info <\/em>que sirven de apoyo en el dise\u00f1o. Las capas de drills, holes <\/em>indican las coordenadas y di\u00e1metros de las perforaciones. La capa dimention <\/em>define el borde y geometr\u00eda de la tarjeta. El nombre de las capas cambia para diferentes programas de dise\u00f1o, por lo que es recomendable ver los manuales de dichos programas.<\/p>\n\n\n\n

REGLAS DE DISE\u00d1O GENERALES<\/h2>\n\n\n\n

 META: dise\u00f1o de PCB<\/strong><\/p>\n\n\n\n

A continuaci\u00f3n se enlista una serie de reglas de dise\u00f1o las cuales se recomienda de gran medida seguir en cada uno de los dise\u00f1os que se realice, las reglas est\u00e1n organizadas sin seguir un orden de importancia.<\/p>\n\n\n\n

  • Siempre que sea posible evitar el uso de vias<\/em> o transici\u00f3n de capas primordialmente si el trazo corresponde a una se\u00f1al de alta velocidad. El uso de vias<\/em> degrada las se\u00f1ales que se transmiten a trav\u00e9s de la PCB, siempre se prefiere la menor cantidad de vias<\/em> posibles en el dise\u00f1o. Para dise\u00f1os manuales tambi\u00e9n se recomienda la menor cantidad de vias<\/em> lo que representa un menor n\u00famero de perforaciones.<\/li>
  • Extremar precauci\u00f3n en se\u00f1ales de reloj de alta velocidad y dar preferencia a estas realizando los trazos primero de las se\u00f1ales con mayor frecuencia. Siempre las se\u00f1ales de los cristales, relojes, y buses de alta velocidad deben de ser trazadas primero para evitar que se realicen muchas transiciones de capas o rodeo de otras trazas.<\/li>
  • Remover alg\u00fan pad<\/em> o via<\/em> que no se est\u00e9 utilizando que haya quedado en el PCB. Si el dise\u00f1o contiene un n\u00famero considerable de componentes es probable que el trazo de las nets sea un proceso iterativo para ver qu\u00e9 camino es el mejor, esto puede llevar a dejar segmentos de nets (conocidos como stubs<\/em>) o vias<\/em> que no est\u00e1n conectadas a nada, esto genera reflexiones en la se\u00f1al lo cual es indeseable.<\/li>
  • Para se\u00f1ales diferenciales las vias<\/em> tienen que estar posicionadas geom\u00e9tricamente sim\u00e9tricas respecto al centro del trazo de las dos se\u00f1ales para evitar desfasamientos de fase.<\/li>
  • Menos vias<\/em> en un trazo resultan en un menor rise-time<\/em>. El rise-time<\/em> es el tiempo en el que la se\u00f1al cambia de un estado l\u00f3gico bajo a un estado l\u00f3gico alto.<\/li>
  • En los programas de dise\u00f1o manejar un grid <\/em>de 0.050 y 0.025 pulgadas para posicionamiento de componentes en el boardfile<\/em>. Para realizar las trazas se recomienda bajar a 0.025 y 0.0125.<\/li>
  • Etiquetar todas las Nets <\/em>que no est\u00e9n directamente conectadas a un dispositivo. Asi como etiquetarlos bajo una nomenclatura que sea comprensible, por ejemplo, una se\u00f1al de reloj de un circuito microcontrolador podr\u00eda llamarse MICROC<\/em>_CLK<\/em>_R<\/em> antes de la resistencia (si tuviese) y MICROC<\/em>_CLK<\/em> la que est\u00e9 conectada al dispositivo.<\/li>
  • Asignar valores a todos los componentes de la tarjeta. Esto es altamente recomendable para la documentaci\u00f3n y an\u00e1lisis del proyecto en general, tambi\u00e9n informar en el esquem\u00e1tico si el componente no ser\u00e1 posicionado por el fabricante, esto se puede hacer a trav\u00e9s de alguna leyenda en el esquem\u00e1tico o con el nombre ej. R5<\/em>_NP<\/em>.<\/li>
  • Mantener el trazo de las se\u00f1ales con \u00e1ngulos de 45\u00ba, los \u00e1ngulos rectos de 90\u00ba generan m\u00e1s ruido en la se\u00f1al. Podr\u00edan trazarse las se\u00f1ales con curvas pero esto a\u00f1ade un mayor grado de trabajo en la tarjeta.<\/li>
  • En caso de utilizar m\u00e1s de una capa, tratar de mantener una para las se\u00f1ales de GND en donde estas se trazan hasta el \u00faltimo con la intenci\u00f3n de mantener todas las se\u00f1ales en la capa inferior.<\/li>
  • Tomar en cuenta el ancho de las se\u00f1ales para el dise\u00f1o. Si por la se\u00f1al pasara una se\u00f1al l\u00f3gica de comunicaci\u00f3n, I2C, SPI, UART, USB, el ancho de la se\u00f1al puede ser el m\u00ednimo determinado por las limitaciones de dise\u00f1o (suponiendo que para este caso sea mayor a 0.010 pulgadas). Para el caso de se\u00f1ales de potencia como en el caso de relevadores, transistores, buffers, controladores de motores, las se\u00f1ales que salen de esos dispositivos se recomienda cambiar el ancho de las se\u00f1ales (aproximadamente 0.020 a 0.050 pulgadas).<\/li><\/ul>\n\n\n\n

     <\/strong>