La definición del diseño es ciertamente una de las operaciones más complejas que debe afrontar el diseñador en el desarrollo de una placa de circuito impreso (PCB). De hecho, esta actividad es tanto un arte como una ciencia y requiere una minuciosa evaluación del espacio disponible en la placa y las restricciones impuestas por la aplicación. La creación de una placa de circuito impreso fiable, funcional y al mismo tiempo económica es una tarea desafiante, especialmente en la actualidad cuando observamos una creciente demanda de placas de circuito impreso para paneles compactos, ligeros e incluso flexibles. El flujo de trabajo del diseño de la PCB siempre comienza con los diagramas, proceso seguido de la colocación de los componentes, las capas y la definición de las trazas, y termina con la verificación de las normas de diseño (DRC) y la generación de archivos Gerber. El proceso de definición de trazas, también conocido como enrutamiento, puede realizarse de diferentes formas: manual, automática o interactiva (una combinación de las dos anteriores).
Técnicas de enrutamiento
La técnica de enrutamiento manual es ciertamente la que ofrece la mayor satisfacción personal, a pesar de que requiere mucho tiempo y paciencia. Consiste en la colocación manual de las trazas que conectan los componentes, definiendo propiedades técnicas tales como el grosor, el ancho, la distancia y el ángulo de curvatura. En esta operación, el diseñador se ayuda de una herramienta de software especializada, capaz de informar sobre cualquier infracción de las normas de enrutamiento.
El enrutamiento automático (autorouting), por otro lado, opera de manera completamente autónoma: una vez establecidas las normas de enrutamiento de antemano, el sistema que automáticamente se encarga del diseño de la PCB procesa el proyecto; los resultados así obtenidos pueden revisarse mediante la introducción manual de los cambios o de las mejoras que se precisen. Finalmente, el enrutamiento interactivo es una técnica que combina la precisión y el control del enrutamiento manual con la velocidad y la automatización típica del enrutamiento automático. En general, el sistema primero coloca los diversos componentes y sus correspondientes trazas en la placa, permitiendo al diseñador realizar cualquier cambio en el enrutamiento inicial. Las trazas y vías se desplazan dinámicamente cuando se colocan nuevas pistas y vías en la misma área. Esto permite al diseñador revisar con calma una zona específica de la PCB antes de aprobar finalmente el diseño resultante. Independientemente de la metodología empleada, la complejidad del enrutamiento aumenta con el número de componentes presentes en la placa y se hace especialmente crítica en aplicaciones donde existen señales de alta frecuencia o componentes capaces de generar mucho calor.
La Figura 1 muestra un ejemplo de placa de circuito impreso común: aunque el número de componentes es reducido, existen múltiples interconexiones eléctricas que deben transformarse en trazas respetando el espacio disponible y las normas de enrutamiento. Las trazas aún no enrutadas (que también se denominan airwires) se representan en segmentos de línea.
Figura 1: Circuito electrónico antes de aplicar el enrutamiento (fuente: Autodesk).
¿Qué método debe emplearse?
Aunque el enrutamiento automático es una técnica que ahorra un tiempo precioso al diseñador, no es siempre la que proporciona los mejores resultados. Como todos los sistemas de procesamiento automatizado, el enrutamiento automático presenta sus limitaciones y, pese a los enormes avances materializados por las herramientas de software, algunos lo consideran una técnica difícil de configurar y ejecutar, que requiere tiempo y cuyos resultados en ocasiones son cuestionables. En el caso de las complejas PCB multicapa, una práctica habitual constituye en iniciar el enrutamiento automático por la noche, y obtener los resultados completos al día siguiente. A pesar de la comodidad, el diseñador a veces se ve forzado a fijar el enrutamiento creado automáticamente, con errores comunes como trazas que pasan alrededor de los bordes de la PCB, en lugar de atravesar las capas. Es por tanto esencial conocer los límites de aplicación de cada técnica y evaluar cuándo una es preferible a las demás.
Las características de la PCB que hacen que muchos diseñadores prefieran el enrutamiento manual sobre las demás técnicas son las siguientes:
- trazas de corta longitud: si la distancia entre los pasadores que hay que conectar es muy reducida, el enrutamiento manual es la técnica que produce los resultados más fiables y exactos; además de ser satisfactoria, puede realizarse casi de manera mecánica;
- ángulo de las trazas: en las trazas, los ángulos rectos deben evitarse por completo ya que, durante la fabricación, el proceso de grabado podría crear peligrosos cortocircuitos; los ángulos agudos también deben evitarse. Con el enrutamiento manual, el diseñador puede conformar la traza aplicando el grado de curvatura adecuado. En la Figura 2 podemos ver un ejemplo de PCB donde se ha respetado el ángulo de enrutamiento correcto;
- circuito muy complejo: las superficies de la PCB donde la densidad de los componentes y el número de interconexiones son especialmente elevados requieren especial atención. En estos casos, el diseñador puede resolver de manera brillante muchos problemas de enrutamiento que podrían poner en un brete a una herramienta automática.
Figura 2: Un ejemplo de PCB con el ángulo de enrutamiento correcto.
En comparación con el enrutamiento automático, el enrutamiento manual requiere mucho más tiempo, que podría destinarse a otras etapas del diseño. Si se utiliza con acierto, el enrutamiento automático es una herramienta muy útil que, en comparación con la manual, aporta las siguientes funciones:
- colocación óptima de los componentes: muchos autoenrutadores incluyen esta función, que puede ayudar al diseñador a dar con la posición óptima de cada componente en la PCB, lo que no siempre puede conseguirse con una colocación manual;
- eliminación de interferencias entre las señales que viajan a través de trazas contiguas, mejorando así la integridad de la señal;
- mejor gestión térmica e inmunidad a las interferencias electromagnéticas;
- identificación de conexiones críticas: el autoenrutador detecta posibles criticidades en las conexiones, tales como dos componentes colocados a una distancia no lo bastante ancha;
- sugerencia de una solución: incluso si el diseñador opta por el enrutamiento manual, el enrutamiento automático puede activarse para realizar el enrutamiento de algunas partes de la PCB, inspirándose en la solución que propone.
A fin de producir resultados satisfactorios, el enrutamiento automático requiere que el diseñador defina adecuadamente las normas de enrutamiento. Estas normas incluyen: tamaño de la placa, características eléctricas de las trazas (anchura, grosor y holgura), número y dirección de las capas, control de la cargabilidad de salida y otras restricciones de diseño tales como el número máximo y el tamaño de las vías, la prioridad de enrutamiento asociada con cada señal/traza y recomendaciones sobre la colocación de componentes impuestas por el DFM (Diseño para la Fabricación) al objeto de simplificar la fase de montaje. El control de la cargabilidad de salida es muy importante para los componentes SMD, ya que debe asegurarse que cada pasador del componente cuente con al menos una vía para permitir tanto la conexión con las capas internas como para realizar la prueba en circuito (ICT) y la reelaboración de la PCB en caso de que se necesiten más conexiones.
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Enrutamiento interactivo
En comparación con el enrutamiento automático, el enrutamiento interactivo le aporta al diseñador el control completo sobre cómo se colocan las trazas en la PCB. Su característica es combinar toda la potencia del motor del enrutamiento automático con las habilidades personales del diseñador, ayudándole a encontrar la solución óptima de enrutamiento. La Figura 3 ofrece un ejemplo de las técnicas de enrutamiento automático (parte superior) y de la técnica del enrutamiento interactivo automático (parte inferior). La primera realiza automáticamente el enrutamiento de los airwires (imagen de la izquierda), obteniendo los resultados que se muestran en la imagen de la derecha. La segunda propone una solución de enrutamiento al diseñador (imagen de la izquierda) que si se aprueba se aplica al diseño de la PCB, como se ilustra en la imagen de la derecha.
Figura 3: Comparación entre enrutamiento automático y enrutamiento interactivo automático (fuente: Cadence).
Ambas técnicas de enrutamiento automático son válidas. En general, sugerimos el enrutamiento interactivo automático para el enrutamiento de placas que incluyen buses con un gran número de señales (por ejemplo, memorias DDR), o que revisten una gran complejidad. Por otro lado, el enrutamiento automático regular es muy conveniente para realizar rápidamente un enrutamiento punto a punto en las PCB de complejidad estándar, ahorrando un tiempo considerable en comparación con la técnica manual.
Conclusión
Hemos visto cómo en la actualidad los diseñadores electrónicos pueden confiar en tres técnicas diferentes de enrutamiento, una de las actividades más complejas de los procesos de fabricación de PCB. En general, podemos decir que ningún enfoque es a priori incorrecto, y ninguna técnica es mejor que las demás. Mientras que, por un lado, el enrutamiento automático y el enrutamiento interactivo realizan una valiosa aportación, contribuyendo a ahorrar un tiempo precioso, por el otro, el enrutamiento manual fomenta la creatividad y habilidad del diseñador, permitiéndole resolver situaciones incluso sumamente complejas gracias a la experiencia acumulada.
