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Los 10 errores más comunes en el enrutamiento, ruteado o trazado de las pistas de un circuito impreso o PCB

El enrutamiento, trazado de las pistas, ruteado o ruteo, es el proceso de conectar y unir las pistas, caminos o tracks, sobre un circuito impreso PCB, de manera profesional, uniforme, y organizada, para asegurar el desempeño y funcionamiento del circuito, según las necesidades del cliente o usuario y las restricciones de manufactura que el fabricante puede alcanzar.

Articulo contribuido / Aldelta & André Laverde

Conocer los 10 errores que más comenten los diseñadores, en el momento de enrutar el PCB, puede ayudar a evitar dolores de cabeza, y optimizar el diseño de un circuito impreso, simple o complejo.

 


1. No distribuir adecuadamente los componentes sobre el PCB

El 90% de la labor de ruteado de PCB, se hace desde el inicio, con la distribución de los componentes sobre el PCB. Una vez se realiza adecuadamente esa tarea, el 10% restante es el propio ruteado de las pistas. ¿Fácil verdad?... suena fácil… hacerlo no lo es tanto.

Una adecuada distribución de componentes, debe estar orientada a satisfacer las necesidades del producto electrónico o mecatrónico, no únicamente del diseño del PCB. Para ello es necesario tener en cuenta:

  • La caja, encerramiento o enclosure, los tornillos, tuercas, birlos y demás elementos mecánicos que hacen parte del producto. No considerar las dimensiones reales, puede resultar que, en medio del ruteado, tener que correr las pistas, para darle espacio a estos elementos.
  • Los cables, que conectan la tarjeta electrónica con el exterior, muchas veces no caben en el espacio disponible para conectarse sobre el PCB. Si no se tienen en cuenta, tendrán que moverse, junto con sus pistas ruteadas, en medio de la labor de enrutamiento.
  • Los leds, o elementos indicadores, muchas veces quedan ocultos, no sobresalen de la caja, los pulsadores o interruptores no se pueden operar, porque son inaccesibles. La ubicación debe ser definida antes de comenzar.
   

Figura 2. PCB en 3D con los componentes distribuidos

Es necesario recopilar toda la información del producto, especialmente de los aspectos mecánicos, pero también:

   

Figura 3. Requerimientos del cliente.

         

Figura 4. Diseño para manufactura.

 
    • La información para el diseño del PCB, debe estar definida claramente en el esquemático, para que el diseñador entienda completamente su labor de ubicación de componentes y ruteado del PCB. El esquemático debe estar en la versión final, revisado, aprobado, para no tener que re-rutear el PCB cada vez que el cliente hace un cambio, o se acuerda de algo que le faltó. Además deberá contener diagramas de bloques, plan de layout o distribución del PCB, distribución de tierras y poder, localización de los puntos de prueba, y notas de diseño para Manufactura, Ensamble y pruebas mencionadas según la Norma IPC 2221B.
 

Figura 5. Esquemático documentado.

2. No hacer una buena planeación del ruteado

Aparte de la distribución de compontes, es fundamental tener en cuenta ciertos aspectos del ruteado, que muchas veces hacen que el PCB falle, o que no funcione como debe. (Mentor graphics, 2013).

Para hacer una buena planeación del ruteado, piense acerca de la ubicación e impacto para el ruteado en el PCB:

  • La ubicación de los componentes de acuerdo con sus características eléctricas (voltaje, corriente, frecuencia, duración en el tiempo, interacción electromagnética), mecánicas (tamaño, peso, accesorios, instalación, desistalación) o térmicas (calor generado, disipadores, ventiladores, silicona, planos térmicos).
  • La ubicación de los diferentes circuitos por grupos funcionales de componentes, según su naturaleza: análoga, digital, mixta (análogo digital),o frecuencia (alta, media, o baja frecuencia) y su correspondiente distribución de tierras.
   

Figura 6. Tipos de tierras.

3. Las pistas no caben en el espacio definido

Muchas veces es necesario ampliar el PCB a medida que se rutea, lo cual es insano y difícil, así como engorroso.

En este punto, se debe tener en cuenta el concepto de canales de enrutamiento, este es el ancho de la pista, más el espacio entre pistas. Si usamos ese concepto, podremos estimar con más precisión cuanto espacio se

   

Figura 7. Canales de ruteo.

necesita para enrutar un componente o PCB. Normalmente se utiliza el concepto de W (Width)= S (Spacing), es decir se utiliza el mismo ancho y el mismo espaciamiento, 8mils ó 10 mils (0,2 mm a 0,254 mm), para lograr máxima integración y aprovechamiento de los canales de trazado. Sin embargo para señales ruidosas o de alta interacción electromagnética se puede ampliar desde 10W hasta 20W o más.

4. No separar la parte análoga de la parte digital

Se tiende a pensar que los componentes análogos y digitales se separan, con un plano de tierra ranurada, cortada o separada. En realidad es más importante la ubicación adecuada de la parte análoga de la digital, sin cortar el plano de tierra. También es importante separar con distancia las pistas análogas de las digitales, para evitar acoples verticales u horizontales, incluso las tierras o alimentación análoga y digitales.

   

Figura 8. Separación análogo-digital.

5. No rutear a 45 grados las pistas

Este es uno de los errores más comunes. En un pasado, los diseñadores trazaban las pistas a un ángulo de 90 grados. Lego se pensaba que esto generaba un efecto antena de radiación o emisión electromagnética. Con el tiempo y estudios, se comprobó que esto es crítico para frecuencias más allá de 100Mhz, se pueden presentar perdidas entre el 5 y el 9% de la señal. Sin embargo en frecuencias de 500Mhz a 1Ghz o más, es recomendable que los trazos empiecen a ser redondeados o curvos. Los ángulos de 90º pueden presentar algunos problemas de atrapar ácidos en procesos de manufactura. Los ángulos de 45º facilitan el aprovechar los canales de ruteado anteriormente mencionados.

   

Figura 9. Angulos de 90 y 45.

6. No serpentear los trazos

El ruteado de PCB no se hace verticalmente u horizontalmente de manera recta, en su lugar las pistas se ubican y se trazan en ángulos de 45 grados, en forma de “serpenteo”, es decir moviéndose como “una serpiente” en esos ángulos, hacia los lados, para evadir obstáculos y hacer el enrutamiento lo más efectivo desde el punto de vista de espacio-distancia-conectividad.

   

Figura 10. Serpenteo de trazos.

7. No saber donde pasar la tierra o retorno de la alimentación o poder  (y de las señales)

Cuando se enrutan las pistas, no solo se debe pensar en conectar puntos, nodos, pads o conexiones.  También se debe evaluar desde y hacia donde se distribuye la energía en caso de pistas de alimentación (VCC, VDD, +5V, +12V), así como de señales (DATA, ADDRES, SIGNAL), igualmente por donde circula su retorno (GND, GROUND). Es muy recomendable que la alimentación sea trazada lo más cerca a la tierra de su misma naturaleza, a la menor distancia posible, para lograr máxima capacitancia (menor  distancia entre las pistas a un determinado voltaje) y mínima inductancia (pistas cortas y gruesas). También para las señales es muy importante reducir la impedancia de la tierra, con pista de tierra lo más gruesas o zonas de cobre, cortas y cercanas a los trazos de señal.

   

Figura 11. Ubicación de VCC y GND.

8. No colocar zonas de cobre o planos de tierra para mejorar el desempeño de la tierra

Esas zonas de cobre en circuitos de una o dos capas, o planos para circuitos multicapa, tienen las ventajas de reducir la impedancia de la tierra, lo que reduce ampliamente las emisiones electromagnéticas no intencionales (EMI), así como mejorar el desempeño de los circuitos. Esto se logra conectando la mayor cantidad de zonas entre sí, o logrando una zona de cobre lo más continua posible, empleando vías que unan la capa de arriba con la de abajo, esta última técnica se llama stitching (cocido).

Adicionalmente, una zona de cobre amplia balancea térmica y mecánicamente el PCB, es decir le da propiedades de estabilidad y soporte al estrés o tensión mecánica (IPC 2221).

Muchos diseñadores temen colocar la zona de cobre, pues les suele quedar en corto circuito. Para esto es recomendable dejarla de 0.3 a 0.5 mm de distancia de los elementos conductivos. También eliminar el cobre residual que queda entre los elementos activos y pasivos, pues pueden quedar en corto circuito si el antisolder no queda bien aplicado. Otro punto es como quitar las zonas de cobre muertas (sin conexión a tierra en al menos un lugar).

   

Figura 12. Ejemplos de tierras.

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9. No definir un ancho adecuado para las pistas

La capacidad de conducir la corriente en una pista está determinada por (según la norma IPC 2221):

  • El cambio de temperatura del ambiente y la temperatura de operación del PCB.
  • El espesor del cobre (altura de la pista).
  • El grosor o ancho de la pista.

El espesor y grosor de la pista, se suelen llamar área cruzada. Si la pista no tiene el área cruzada adecuada, la pista se puede quemar o aislar, por tanto no conduciría la corriente para la que fue diseñada.

Según la gráfica (modificada de Electronics Exchange, 2017) , primero se debe seleccionar la corriente que circulará por la pista (en amperios), según la curva de cambio de temperatura esperada(10º, 20º, 30 ó 45º C), el espesor de cobre en onzas (1/2, 1, 2 ó 3 onzas), para obtener el ancho de la pista en pulgadas.

   

Figura 13. Estimación del ancho de pistas.

Para el ejemplo 1, para 1 amperio de corriente, 30º C de cambio en la temperatura, con 1 onza de cobre (35 micrómetros, 0.0014”, le corresponde una pista de alrededor de 20 mils (0.5 mm).

Es recomendable definir un ancho de pista mayor como en la siguiente tabla:

Ancho de pista para 1 onza de espesor corriente
0.010″ 0.3 Amps
0.015″ 0.4 Amps
0.020″ 0.7 Amps
0.025″ 1.0 Amps
0.050″ 2.0 Amps
0.100″ 4.0 Amps
0.150″ 6.0 Amps

Tomado de: https://www.expresspcb.com/tips-for-designing-pcbs/

Lo anterior para:

  • Prever la reducción en el ancho de las pistas debido al efecto de la corrosión del ácido sobre el cobre en el proceso de fabricación.
  • Minimizar el efecto resistivo e inductivo de las pistas.
  • Soportar cualquier exceso de corriente superior a la corriente normal de operación.

10. Estrategias de ruteo

   

Figura 14. Estrategias de enrutamiento.

Existen diversas estrategias de enrutamiento, para lograr la conexión de muchas pistas en un espacio reducido o el máximo aprovechamiento del área del PCB. Estas dependen de la densidad de pistas, la ubicación de los componentes, la complejidad de interconexión de las pistas, el espacio disponible. Para esto se usan técnicas como el control de vías (menor uso de vías), el trazado de pistas siguiendo patrones (verticales, horizontales, en bus o que permitan el intercambio de dirección), o la explotación del ruteo, es decir la colocación de las pistas en zonas de menor densidad, para facilitar la interconexión.

EXTRA: OTROS DOS ERRORES MÁS COMUNES

11. No usar una topología de ruteado adecuada

No todas las topologías de enrutamiento sirven para rutear o trazar pistas, pues cada una presenta ventajas o desventajas una sobre otra. En la mayoría de los casos se usa estrella o unipunto para rutear alimentación y tierra (en PCB de 1 o 2 caras), o algunas señales de alta frecuencia (con pocos brazos). La topología en serie o cascada se usa para conectar la alimentación, o para señales en aplicaciones de baja frecuencia o bajo ruido.

   

Figura 15. Topologias de enrutamiento.

12. No rutear la red de desacople de manera optima

La red de desacople es fundamental pues determina el optimo funcinamiento de los circuitos integrados, eliminando o desacoplando componentes de frecuencia o ruido de la alimentación (VCC y GND).

   

Figura 16. Desacople.

Para un PCB de dos capas, lo mas recomendado es hacer el ruteado como la figura, llegando la energia de la fuente de voltaje con ruidos o perturbaciones y es desacoplada por el condensador, y luego entregada al circuito integrado. Sin embargo cuando se tiene un PCB multicapas, el PCB multicapa provee una gran capacitancia, para reforzar el efecto de desacople del condensador.

Autor.

André Laverde, CID+, CIT 610. Bogotá-Colombia. Diseñador certificado IPC en normas avanzadas de diseño de circuitos impresos PCB. Entrenador en calidad de manufactura electrónica. ingeniero Electrónico, Magister en Ingeniería Industrial, experiencia de +15 años en diseño y manufactura de PCB. Consultoría, capacitación y diseño para en empresas de México, Estados Unidos, Colombia, Paraguay, Perú, Ecuador. Puede ser contactardo a través de :[email protected]  ó Aldelta.com.co

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Aldelta latam

Bibliografía

Al Delta Innovación y tecnología. Curso virtual diseño de circuitos impresos PCB con normas Internacionales. www.aldelta.com.co  2015. Bogotá, Colombia.

Altera, resource center. https://www.altera.com/support/support-resources/support-centers/board-design-guidelines.html  2017.

Electronics Exchange. Julio 2017. https://electronics.stackexchange.com/questions/5403/standard-pcb-trace-widths

IPC Association Connecting Electronics Industries. (2003). IPC 2221 Generic Standar of printed board Design. Bannockburn, IL: IPC.

Mitzner, Krai . Complete PCB Design Using Orcad Capture and Layout. 2010.

Topology Planning and Routing, Dean Wiltshire, SDD product architect - Mentor Graphics Corporation

Qualiy Eco Circuits Py Ltda. (3 de 3 de 2015). PCB Design Guidelines. Recuperado el 1 de 1 de 2016, de http://www.qualiecocircuits.com.au/pcb-design-guidelines.htm

Texas Designer. (2005). Experiences in PCB Design. Texas: Self.

Los 10 errores más comunes en el ruteado o trazado de las pistas de un circuito impreso o PCB by Al Delta is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional License.

Creado a partir de la obra en http://aldelta.com.co/.

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