Definiciones básicas: construyendo desde los cimientos (Parte I)

 

A lo largo de los dos próximos artículos, procederé a definir los conceptos más básicos, de uso continuo, en el diseño y fabricación de PCBs. Todos estos elementos aparecen habitualmente en cualquier documentación referente a tarjetas de circuito impreso. Es necesario dominarlos con solvencia.

PCB

Por básico y fundamental que pueda parecer, conviene comenzar con la propia definición de una tarjeta de circuito impreso.

Podríamos decir, grosso modo, que se trata de una combinación de materiales aislantes y conductores que, debidamente apilados y procesados, nos dan una conectividad entre distintos componentes electrónicos que soldamos sobre una o las dos capas exteriores. Hasta aquí, bastante obvio. Por lo tanto, el PCB nos sirve para tres objetivos:

  • Interconexión eléctrica: el material conductivo (en general cobre) es el soporte para que los campos electromagnéticos se muevan entre diferentes puntos de la tarjeta.

  • Soporte mecánico: el PCB da sustento físico a los componentes electrónicos que se montan sobre él. Además, sirve de estructura de fijación a otras partes exclusivamente mecánicas que conforman el producto o aparato final (carcasa, caja, rack, etc.). La resistencia del PCB a vibraciones, torsiones y otros esfuerzos mecánicos, así como a diversas condiciones climáticas, entran también dentro de esta funcionalidad.

  • Soporte funcional: éste es, quizás, el punto menos obvio de todos. Con frecuencia (incluso experimentados diseñadores) se tiende a tratar el PCB como un elemento transparente, que no tiene ningún efecto en la funcionalidad de nuestra tarjeta. Digamos que esta afirmación puede ser más o menos cierta para circuitos sencillos, de bajo nivel de integración y frecuencias lentas. Sin embargo, con la alta y creciente complejidad de la electrónica de hoy en día, es fundamental considerar el PCB como un elemento más del conjunto, al igual que un condensador o un transistor. Y, como tal, puede hacer que el diseño no funcione. Para ilustrar esta situación, podríamos referirnos a la integridad de señal (que será tratada en profundidad en futuros artículos) o a las antenas impresas. Es decir, dependiendo de los parámetros de diseño del PCB, podemos lograr realizar determinadas funciones, como por ejemplo, radiar energía al aire (ya sea voluntaria o involuntariamente). En cualquier caso, conviene tener muy presente que un PCB siempre va a empeorar el funcionamiento de nuestra circuitería tal y como fue concebida originalmente. Es responsabilidad del diseñador minimizar este deterioro.

Componente

Cada una de los elementos, ya sea electrónico o mecánico, que se sueldan o montan sobre un PCB. Algunos ejemplos: un resistor, una puerta lógica, un procesador (tan complejo como se quiera) o un tornillo. Son, por tanto, objetos tangibles.

Sin embargo, existe una segunda vertiente: desde el punto de vista del diseño, un componente es un conjunto de modelos (símbolo, huella, modelos de simulación, modelo 3D, etc.) que representan un único objeto de diseño.

Símbolo

Un símbolo es una representación gráfica (por tanto, a nivel de esquemático) de un componente electrónico o mecánico. Los elementos más comunes se suelen representar con símbolos estándar: diodos, resistores, condensadores, inductores, transformadores, transistores, puertas lógicas, amplificadores operacionales, etc.

 
Algunos de los símbolos más habituales
 
 

Los chips o circuitos integrados se suelen representar como una caja o rectángulo con sus pines. No hay reglas fijas para los chips, pero conviene que sean significativos: que sean fácilmente comprensibles con un simple vistazo.

Pin

Un pin representa un punto de contacto de un componente con el mundo exterior: una interfaz. En la mayor parte de los casos, por cada pata de un componente, hay un pin en su símbolo. Es un elemento de vital importancia, puesto que empareja una interfaz de un símbolo con su correspondiente pad en la huella a través del denominado designador: el pin con designador X en el símbolo, se mapeará en el pad del mismo designador en la huella.

Símbolo con 14 pines, cada uno con su designador

Es recomendable, aunque no obligatorio, incluir una brevísima descripción de la función del pin (Vcc, Gnd, Clk_in, Data3, etc.). De igual modo, es de utilidad definir cada pin según su función: entrada, salida, entrada/salida, alimentación, etc.

Pad

Cada una de las superficies de cobre u orificios metalizados sobre un PCB donde se monta una pata de un componente. Al igual que sucede con los símbolos, cada pad lleva asignado un designador, que va emparejado con el pin del mismo designador en el símbolo.

Huella

Se define como el conjunto de pads donde se monta físicamente y se conecta eléctricamente un componente a un PCB. Cada huella contiene tantos pads como patas tiene el componente físico.

Huella con tres pads

A nivel de librería, la huella no sólo contiene los pads. En la imagen superior se aprecian diversas líneas y áreas en varios colores, cada color representando una capa diferente:

  • En amarillo: la serigrafía.

  • En rosa: la información de ensamblado (contorno del componente).

  • En verde: el courtyard.

  • El área rosácea: el modelo 3D.

  • La franja entorno a cada pad: la máscara antisoldadura.

  • Adicionalmente, coincidiendo con la forma de cada pad: la máscara de pasta de soldadura (no visible en la imagen, puesto que se solapa con el pad).    

Seguiré en el siguiente artículo completando esta serie de definiciones.

 

Referencias

Se recomienda encarecidamente consultar el documento IPC-T-50M: Terms and Definitions for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits, donde todas estas definiciones vienen incluidas, además de muchas otras.

Acerca del autor

Alfonso Blanco Fontao


Alfonso Blanco es Ingeniero Electrónico especializado en diseño de hardware y de PCBs.

Tras múltiples años de experiencia en la industria de la electrónica, Alfonso ejerce actualmente como especialista de diseño de PCBs en el Instituto Politécnico Federal de Zúrich donde, además, imparte una asignatura de iniciación al mundo del circuito impreso.

Alfonso posee la certificación CID+ otorgada por IPC.

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