Cómo diseñar una PCB (para que un fabricante no la rechace)

Si alguna vez has mirado una placa de circuito y has pensado, sí, yo nunca podría hacer eso. Puedes hacerlo.

No al instante. Ni perfectamente a la primera. Pero puedes aprender a diseñar una placa de circuito impreso que funcione, se fabrique sin problemas y no se convierta en una pesadilla de depuración de una semana.

Y, sinceramente, lo más difícil no es colocar piezas o trazar rutas. Es saber qué hay que hacer primero, qué hay que comprobar dos veces y qué te puede pasar factura si lo ignoras.

Así que esto es un paseo práctico. La forma en que se lo explicaría a un amigo que tiene un esquema hecho y ahora quiere una placa real en sus manos.

Qué incluye realmente el “diseño de una placa de circuito impreso

La gente dice “Diseño de PCB”como si fuera un paso. Es más bien una cadena.

1. Definir requisitos y restricciones
2. Crear el esquema (circuito lógico)
3. Asignar huellas (paquetes físicos)
4. Crear el esquema del tablero y las restricciones mecánicas
5. Colocar los componentes con intención
6. Trazados y planos de rutas
7. Realización de comprobaciones de reglas de diseño y comprobaciones eléctricas
8. Generar ficheros de fabricación
9. Encargue su fabricación y montaje
10. Probar, corregir, repetir

Puedes hacer los pasos 2 a 8 dentro de una herramienta CAD para PCB. El resto es, bueno. La vida real.

Paso 1: Comience con requisitos claros (esto le ahorrará trabajo más adelante)

Antes de abrir KiCad o Altium o lo que sea que utilices, escribe una sencilla lista de comprobación.

• ¿Qué hace el consejo, en una frase?
• ¿Rango de tensión de entrada? ¿Riesgo de polaridad inversa?
• ¿Corriente máxima en cualquier carril?
• ¿Qué tamaño puede tener el tablero?
• ¿Cómo se montará? ¿Tornillos, separadores, clips?
• ¿Qué conectores y hacia dónde deben orientarse?
• ¿Alguna señal sensible? ¿Alta velocidad, analógica, RF, poco ruido?
• Entorno. ¿Calor, vibraciones, humedad?
• Coste y cantidad previstos

Esto parece aburrido pero le da forma a todo. Por ejemplo. Si necesitas 2 o 4 capas. Si tus trazas pueden ser gruesas e indulgentes o si necesitas una impedancia controlada.

Paso 2: Capturar el esquema (y hacerlo legible)

Una placa de circuito impreso empieza como un esquema. Aunque tu circuito sea sencillo, hazlo bien.

Unas cuantas reglas que parecen molestas pero que facilitan mucho la depuración:

• Utilice etiquetas de red en lugar de cables largos en todas partes
• Agrupación por funciones: alimentación, MCU, sensores, conectores
• Coloque condensadores de desacoplamiento junto a las patillas de alimentación del circuito integrado también en el esquema, no sólo en la placa de circuito impreso más adelante.
• Añada puntos de prueba ahora. Se lo agradecerá más adelante
• Ponga los valores y números de las piezas en los campos, no en notas aleatorias

Además, no confíe en la memoria para los pinouts. Utiliza siempre la hoja de datos para el cableado de los símbolos. Especialmente para los reguladores y USB y cualquier cosa con múltiples tierras o almohadillas expuestas.

Un rápido pase de cordura antes de continuar

Pregúntatelo a ti mismo:

• ¿Tengo pullups y pulldowns donde son necesarios?
• ¿Tengo resistencias limitadoras de corriente para los LED?
• ¿He incluido los cabezales de programación o depuración si se trata de una placa microcontroladora?
• ¿Hay protección en la entrada de alimentación? Al menos un fusible o polifusible, tal vez un diodo TVS si se trata de un conector externo.

Paso 3: Elegir componentes que existan en la vida real

Aquí es donde mueren muchas de las primeras placas. En el esquema, cualquier pieza sirve. En la fabricación, solo funcionan las piezas con buenas huellas y disponibilidad.

A la hora de seleccionar las piezas, no pierdas de vista

• Tamaño del encapsulado que se puede soldar (0603 está bien, 0402 es molesto, QFN es factible pero requiere cuidado).
• Disponibilidad de la cadena de suministro. Trate de no elegir piezas de unicornio
• Valores nominales de tensión e intensidad con margen
• Para los conectores, consulte el plano mecánico. No adivine

Si está construyendo algo que podría volver a pedir más adelante, elija piezas de series bien respaldadas. Tu futuro yo se enfadará menos.

Paso 4: Huellas. El lugar donde los errores salen caros

Cada símbolo esquemático necesita una huella que coincida exactamente con la pieza física.

Y esta es la parte en la que los principiantes encargan accidentalmente diez posavasos con cobre.

Hazlo con cuidado:

• Emparejar el número de patillas y la distancia entre ellas
• Coincidir con la variante de encapsulado (SOIC no es TSSOP, QFN viene en varios tamaños).
• Compruebe los marcadores de polaridad de los diodos, electrolíticos, IC pin 1
• Verifique el patio y las aberturas de la máscara de soldadura si hizo una huella personalizada.

Me gusta hacer esta sencilla comprobación

Imprime la PCB 1:1 en papel y coloca las piezas reales sobre ella. Especialmente los conectores.

Suena a baja tecnología. Pero funciona.

Antes de pasar al siguiente paso, es crucial realizar un minucioso Inspección de PCB para garantizar la exactitud de todas las huellas y colocaciones.

Paso 5: Configurar el contorno del tablero y la pila de capas

Ahora se pasa al diseño de la placa de circuito impreso.

Empieza con:

• Forma y dimensiones del tablero
• Orificios de montaje y zonas de retención
• Limitaciones en la colocación de los conectores (USB en el borde, etc.)
• Decisión sobre el recuento de capas

2 capas frente a 4 capas

Para la mayoría de los tableros de aficionados y muchos tableros comerciales, 2 capas está bien.

Pero es posible que desee 4 capas si:

• Tiene señales de alta velocidad (USB 2.0, bordes rápidos, DDR, etc.)
• Necesitas una mejor referencia de tierra y menos ruido
• Usted está encaminando piezas densas como BGAs o muchas de paso fino
• Quieres que la integridad del poder sea más fácil

Una pila común de 4 capas es:

Señal superior, plano de tierra, plano de potencia, señal inferior.

No es obligatorio. Pero es una buena opción por defecto.

Paso 6: Coloque los componentes como es debido

La colocación no es decoración. Es rendimiento eléctrico, fabricabilidad y cordura.

He aquí un orden de colocación práctico que funciona:

1. Coloque primero los conectores y las piezas de la interfaz de usuario (botones, LED, pantallas).
2. Coloque la sección de entrada y regulación de potencia a continuación
3. Coloque el controlador principal o IC principal
4. Coloca las piezas de apoyo a su alrededor (cristal, desacoplamiento, resistencias de arranque).
5. Colocar bloques funcionales: sensores, drivers, op amps, etc.
6. Colocar puntos de prueba y cabecera de programación

Consejos de colocación que evitan ruidos y rarezas

• Visite condensadores de desacoplamiento extremadamente cerca de los pines de alimentación del CI. No “un poco cerca”. Como, al lado
• Mantenga las secciones analógicas alejadas de los reguladores de conmutación
• Mantenga apretados los bucles de alta corriente. Trazos cortos y anchos, área de bucle mínima.
• Mantenga los cristales cerca de la MCU y dirija esas trazas cortas, sin vías si es posible.
• Deja espacio para fresar. Si todo está lleno de borde a borde, el enrutamiento se convierte en un rompecabezas que perderá

Piense también en el montaje. Si la placa va a ser ensamblada por una fábrica, les gusta una orientación consistente y suficiente espacio libre para recoger y colocar.

Paso 7: Definir las reglas de diseño con antelación (holguras, anchuras, tamaños de las vías)

Su herramienta PCB necesita saber límites de fabricación.

Valores predeterminados seguros típicos de muchas fábricas:

• Ancho de trazado: 6 mil u 8 mil para señales (más ancho es más fácil)
• Espacio libre: 6 mil u 8 mil
• Broca pasante: 0,3 mm con 0,6 mm de diámetro (compruebe su fab)
• Ampliación de la máscara de soldadura: por defecto suele estar bien

Pero no haga conjeturas. Utiliza las capacidades del fabricante. Cada fabricante tiene una página de capacidades. Si busca prototipos baratos, sea conservador.

Ancho de traza para la corriente

Las señales pueden ser finas. Las trazas de potencia suelen ser más anchas.

Si tiene 1A o más en una traza, no la haga funcionar a 6 mil y espere. Utilice un calculadora de anchura de traza o simplemente hacerlo ancho y corto. O vierte cobre.

Paso 8: Recorrer el tablero (e intentar mantener la calma)

El enrutamiento es donde la gente se obsesiona o se da por vencida. No es magia. Es un conjunto de prioridades.

Orden de ruta sugerido

1. Señales críticas primero
2. Líneas de reloj, pares diferenciales, nodos analógicos sensibles
3. Enrutamiento de la energía
4. Carriles principales, vías de alta corriente
5. Todo lo demás

Estrategia sobre el terreno

Si está en 2 capas, un plano de tierra sólido en un lado es oro. Enruta las señales por el otro lado tanto como puedas, y luego une la tierra con vías.

Si tiene que dividir el terreno, hágalo con intención. La mayoría de las veces, los principiantes dividen el plano de tierra cuando no deberían. Un plano de tierra continuo suele ser mejor.

Algunos hábitos de encaminamiento que ayudan

• Evita los trazos largos y delgados para poder
• Utilice esquinas de 45 grados o arcos si su herramienta lo hace fácilmente. No porque las esquinas de 90 grados sean malas a baja velocidad, sino porque el trazado es más limpio.
• Minimización de vías en señales sensibles o rápidas
• Ten en cuenta las vías de retorno. Las señales necesitan una vía de retorno de corriente por debajo, normalmente en el plano de tierra.

Pares diferenciales (USB, etc.)

Si tiene USB D+ y D-, enrute como par diferencial con espaciado y longitud coherentes, y utilice la impedancia correcta si su apilamiento lo admite. Por lo general, tu herramienta CAD puede calcular las anchuras en función del apilamiento.

Si no lo sabes, no pasa nada. Pero no hagas estilo libre y hagas que un trazo serpentee alrededor del tablero mientras el otro va recto.

Paso 9: Añadir vaciados de cobre, alivio térmico y cosido de vías

Los vertidos de cobre pueden reducir la impedancia y ayudar con el calor. Vertidos comunes:

• Puesta a tierra en la parte superior e inferior (conectada a la red GND)
• Vertedores de potencia para carriles de alta corriente si necesita

Utilice alivio térmico para las almohadillas de orificio pasante conectadas a los vaciados. De lo contrario, la soldadura manual se convierte en miserable e incluso retrabajo se hace más difícil.

Añada vías de costura para conectar las tomas de tierra superior e inferior. Especialmente alrededor del perímetro, cerca de los conectores y cerca de los reguladores de conmutación.

Paso 10: Serigrafía. Hacer el tablero amigable

La serigrafía no es sólo etiquetas. Es usabilidad.

Incluir:

• Designadores de referencia (R1, C5, U2) al menos para las piezas clave.
• Marcas de polaridad para diodos, electrolíticos, LED
• Marcadores de clavija 1 para CI
• Etiquetas de los conectores. TX, RX, 5V, GND, etc.
• Nombre del consejo, versión, fecha o revisión

Déjate migas de pan. Volverás a este foro meses después y no recordarás nada.

Paso 11: Realiza comprobaciones antes de exportar nada

Hágalo en su herramienta CAD:

• ERC en el esquema (comprobación de las normas eléctricas)
• DRC en la PCB (comprobación de las reglas de diseño)
• Comprobación de redes no conectadas
• Infracciones
• Anillo anular y controles de perforación

Luego haz una comprobación humana:

• ¿Están todos los conectores orientados en la dirección correcta?
• ¿Son correctos los orificios de montaje?
• ¿Hay componentes en el borde de la placa que vayan a chocar con la caja?
• ¿Has intercambiado TX y RX. Sucede
• ¿Coinciden todas las piezas polarizadas con el esquema y la serigrafía?

Si puedes, haz una vista en 3D. Muchas herramientas lo soportan ahora y detecta rápidamente problemas mecánicos tontos.

Paso 12: Generar archivos de fabricación (Gerbers, taladros y notas)

La mayoría de los fabricantes de PCB quieren:

• Archivos Gerber (o a veces un único paquete Gerber zip)
• Archivos de perforación (Excellon)
• Esquema del Consejo
• Readme o notas de fabricación (opcional pero útil)
• Para el montaje: Lista de materiales y archivo pick and place (centroide), además de planos de montaje.

Exporta utilizando los ajustes recomendados por tu fab si proporcionan un preajuste.

Una cosa más. Nombra tus capas claramente. Y guarda las versiones. “final final v7” es divertido hasta que deja de serlo.

Paso 13: Prototipa como si esperaras problemas (porque los habrá)

Pida primero un lote pequeño. Aunque el diseño sea “sencillo”.

Cuando lleguen las tablas:

• Inspeccionar con buena luz
• Compruebe si hay cortocircuitos en los raíles de alimentación antes de enchufar nada.
• Aumente la potencia lentamente si puede, con una fuente de alimentación de banco y un límite de corriente.
• Validar carriles, luego relojes, luego programación, luego periféricos

Si algo falla, que no cunda el pánico. Depura sistemáticamente. La mayoría de los primeros fallos de PCB lo son:

• Huella incorrecta o asignación de pines errónea
• Falta pullup o pull down
• Secuencia de alimentación o problemas de estabilidad del regulador (tapones incorrectos)
• Problemas de disposición de los reguladores de conmutación
• Problemas de conexión a tierra o de retorno
• Errores simples de orientación

Es normal.

Una sencilla pila de herramientas que funciona (si eliges software)

• KiCad: gratis, muy capaz, gran comunidad
• EasyEDA: práctico si desea flujos de trabajo rápidos en la nube
• Altium: estándar de la industria, caro, potente
• Autodesk Fusion electronics: depende de su flujo de trabajo

Si eres nuevo, KiCad es un buen punto de partida y ya no es un juguete.

Errores comunes de principiante que son extrañamente fáciles de evitar

Olvidar los condensadores de desacoplamiento

La mayoría de los circuitos integrados necesitan 0,1uF cerca de cada patilla de alimentación, además de un condensador de masa cercano (como 4,7uF o 10uF). Lee la hoja de datos.

Confiar en huellas aleatorias

Las huellas de las bibliotecas son útiles, pero compruébalas con la hoja de datos. Siempre.

Poner la cabecera de programación en algún sitio imposible

Si necesitas flashear el firmware, no escondas el cabezal bajo una pantalla ni lo coloques a 1 mm de la pared de la caja.

No hay puntos de prueba

Incluso sólo almohadillas para GND, 3V3, 5V, RX, TX. Hace posible el sondeo.

Disposición del regulador de conmutación “recién enrutado”

Los reguladores de conmutación tienen directrices de diseño por una razón. Siga al pie de la letra la disposición de referencia de la hoja de datos.

Reflexión final (y la parte en la que realmente se fabrican tablas)

Diseñar una PCB es un bucle. Diseñas, construyes, aprendes, revisas. La segunda placa siempre es más limpia que la primera.

Si quiere un socio fabricante que pueda tomar sus Gerbers y ayudarle a cruzar la línea de meta sin adivinar, eso importa. Y mucho.

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FAQs (Preguntas más frecuentes)

¿Cuáles son los pasos clave en el diseño de una placa de circuito impreso, desde el esquema hasta la placa acabada?

El diseño de una placa de circuito impreso implica una cadena de pasos: definición de requisitos y restricciones, creación del esquema, asignación de huellas, definición del contorno de la placa y de las restricciones mecánicas, colocación cuidadosa de los componentes, trazado de rutas y planos, ejecución de reglas de diseño y comprobaciones eléctricas, generación de archivos de fabricación, fabricación y montaje de la placa y, por último, pruebas e iteración según sea necesario.

¿Por qué es importante empezar el diseño de PCB con unos requisitos claros?

Empezar con unos requisitos claros ayuda a dar forma a todos los aspectos del diseño de la placa de circuito impreso. Saber lo que hace la placa, el rango de tensión de entrada, los límites de corriente, las restricciones de tamaño, los métodos de montaje, las necesidades de conectores, las señales sensibles, las condiciones ambientales, el coste objetivo y la cantidad garantiza que tome decisiones informadas como el recuento de capas (2 frente a 4 capas), los anchos de traza, el control de la impedancia y la selección de componentes que se ajusten a las necesidades de su proyecto.

¿Cómo puedo hacer que mi esquema sea más legible y fácil de depurar?

Para mejorar la legibilidad del esquema: utilice etiquetas de red en lugar de cables largos por todas partes; agrupe los componentes por función, como secciones de alimentación o sensores; coloque condensadores de desacoplamiento junto a las patillas de alimentación de los circuitos integrados en el esquema; añada puntos de prueba al principio; incluya los valores y números de las piezas en campos específicos en lugar de notas; compruebe siempre los pinouts con las hojas de datos, especialmente en el caso de piezas complejas.

¿Qué debo tener en cuenta a la hora de elegir componentes para mi placa de circuito impreso?

Elija componentes que existan en la vida real, con huellas disponibles y apoyo de la cadena de suministro. Presta atención a los tamaños de encapsulado que puedas soldar (el 0603 es manejable; los tamaños más pequeños, como el 0402 o el QFN, requieren cuidado), a los valores nominales de tensión/corriente con margen, a los dibujos mecánicos, especialmente en el caso de los conectores, y elige piezas de series bien respaldadas si tienes previsto hacer nuevos pedidos en el futuro. Evite las piezas ‘unicornio’, difíciles de conseguir o sustituir.

¿Cómo puedo asegurarme de que mis huellas coinciden correctamente con las piezas físicas reales?

Haga coincidir con exactitud el número de patillas y el espaciado; compruebe las variantes de encapsulado (por ejemplo, SOIC frente a TSSOP); compruebe los marcadores de polaridad en diodos o electrolíticos; confirme las dimensiones del patio y las aberturas de la máscara de soldadura, especialmente en el caso de las huellas personalizadas. Un consejo práctico es imprimir el diseño de la placa de circuito impreso 1:1 en papel y colocar físicamente los componentes reales para comprobar el ajuste antes de continuar.

¿Cuándo debo elegir una placa de circuito impreso de 4 capas en lugar de una de 2 capas?

Se recomienda una PCB de 4 capas si tiene señales de alta velocidad (como USB 2.0 o DDR), necesita una mejor referencia a tierra para reducir el ruido, debe enrutar piezas densas como BGAs o ICs de paso fino, o desea mejorar la integridad de la energía. Una pila común de 4 capas incluye una capa de señal superior, un plano de tierra, un plano de alimentación y una capa de señal inferior, lo que facilita estas necesidades en comparación con las típicas placas de 2 capas adecuadas para muchos proyectos de aficionados.