PCB ángulos de 90 grados

Question

No una dup de las cuales apenas atiende a las razones técnicas a favor o en contra de utilizar rutas de 90 grados.

Como aficionado que se va a matricular en un programa de EE en otoño, ¿debería acostumbrarme a evitar los ángulos rectos en el diseño de las placas de circuito impreso? ¿Es esto siempre una buena práctica o algo que sólo requieren los escenarios de RF o de alta velocidad?

Más allá de las razones mecánicas o estéticas, ¿hay alguna razón para querer utilizar ángulos de 90 grados?

Answer 1

EDITAR: Me olvidé de un caso en el que las esquinas de 90 grados SON malas: las placas de circuito impreso de alta tensión. Esto no tiene nada que ver con la reflexión o la radiación, sino con el hecho de que cualquier tipo de forma afilada concentra el campo eléctrico alto y hace más probable una ruptura dieléctrica y un arco. Esto puede ser aprovechado para los huecos de chispa de los PCB, pero por lo demás, uno debería evitar las esquinas en ángulo recto en un PCB de alto voltaje, 1kV+. Y hay que utilizar almohadillas redondeadas para todo, incluso para las almohadillas de resistencias/capacitores SMD. Evite en lo posible las formas de cobre afiladas.

No, no hay ninguna razón para preferir los ángulos de 45 sobre los ángulos rectos. Lo diré definitivamente: Las otras respuestas que afirman que los ángulos rectos provocan más IEM son manifiestamente falsas. No se trata de una incógnita teórica que pueda debatirse. Podemos medir la IEM radiada por diversas formas de traza, y lo hemos hecho, y los ángulos rectos no irradian más que los ángulos de 45 grados. Traiga todas las razones teóricas por las que los ángulos rectos deberían ser malos para la EMI, pero no importan. La simple realidad empírica de la situación es que no lo hacen, y lo que "deberían" hacer no va a cambiar eso. De hecho, esto es cierto incluso a frecuencias muy altas, que abordaré más adelante en este post. Si estoy equivocado, por supuesto, muéstrame mediciones que demuestren que las esquinas de 90 grados son peores. O mejor aún, si hay una diferencia medible, seguramente sería sencillo construir un medidor que pudiera determinar si una traza tiene una esquina en ángulo recto o en ángulo de 45 grados en ella completamente realizando mediciones en la entrada y la salida. O recogiendo la EMI. Me comeré mis palabras si alguien puede construir un medidor que haga eso.

Estoy bastante seguro de que nadie lo hará, porque no hay ninguna diferencia medible en la EMI o la reflexión en las frecuencias que incluso permiten las esquinas de 45 (o 90) grados en primer lugar.

Por supuesto, se dan otras razones sin sentido. El grabado y los ángulos rectos sólo fueron un problema antes de que nadie utilizara trazados en ángulos de 45 grados y, en su lugar, se encintaran las placas a mano con rubilita. Los procesos han mejorado lo suficiente como para que estos problemas no sean una preocupación desde hace al menos 3 décadas. Si hubiera algún problema relacionado con el grabado, más vale que le digan a todas esas placas con pads QFN de paso cuadrado de 0,5 o 0,4 mm que no pueden seguir usando esas piezas, ya que aparentemente nuestros procesos de grabado de PCB destrozarían la forma de esos pads por completo. Al menos, si uno cree algunas de las otras respuestas en este hilo. Por supuesto, el argumento del grabado también es obviamente una tontería, y basta con ver todas las pequeñas almohadillas cuadradas grabadas todo el tiempo con esquinas perfectamente afiladas para entender que es una tontería.

Lo que me molesta es que nadie se plantea la única pregunta que deberíamos hacer: ¿Por qué se utilizan trazos de 45 grados?

La respuesta es un poco anticlimática: la tradición. Al menos, cuando se utiliza sin una razón válida y racional. Se pueden colocar más trazos en el mismo espacio utilizando ángulos de 45 grados, simplemente porque las esquinas ocupan más espacio (raíz cuadrada de dos y todo eso). Así que su uso es perfectamente válido en muchas situaciones de enrutamiento. Pero no hay ninguna razón para usarlos preferentemente sobre los ángulos rectos, así que deberías acostumbrarte a usar lo que te parezca la mejor solución para esa traza concreta. Si quieres ser bueno en el ruteo de placas, una gran manera de asegurar que esto nunca suceda es imponer reglas de diseño arbitrarias sobre ti mismo que no dan ningún beneficio. Es simplemente elegir limitar tus estrategias de enrutamiento sin ninguna razón.

La gente puede dudar de mi argumento de la tradición, pero yo vengo con pruebas contundentes. Tengo un montón de placas de circuitos que abarcan desde los años 60 hasta la actualidad, y está claro que los trazados en ángulo de 45 grados son poco más que un artefacto del software EDA que entró en escena e impuso limitaciones arbitrarias (8 ángulos de enrutamiento posibles... los ordenadores tenían dificultades para hacer incluso simples gráficos vectoriales en ese momento, esto facilitó las cosas).

En primer lugar, aquí hay una placa para un filtro de frecuencia para un viejo sintetizador HP. Esto produjo una gran cantidad de frecuencias de RF y utilizó filtros de orden bazillion, 24 de ellos, todos llevando algún múltiplo de 10MHz. Esto era una pieza de equipo de prueba de HP, esto era el estado de la técnica. Fue fabricado en los años 70, cuando las placas todavía se pegaban a mano. Las placas de esta época, incluso las de RF, nunca utilizaban ángulos de 45 grados porque su uso era una restricción artificial debido al software que aún no existía.

Vamos a darle la vuelta...

Pero esos también tienen muchas cosas redondeadas... esto se debió probablemente a que fueron enmascarados con rubilita cortada a mano. Avancemos hasta 1983, cuando el software EDA estaba muy extendido. De repente, todas esas curvas y ángulos que iban en cualquier dirección desaparecieron, y sólo se utilizaron 8 direcciones. Esto se debe enteramente a las herramientas de la época, no había elección de diseño en este caso. Nadie eligió usar sólo 8 direcciones, sólo TENÍAN 8 direcciones para elegir en esas primeras herramientas EDA. Lo siguiente es un controlador de disco digital occidental de 1983.

Es como si no les importara nada el ángulo recto o las esquinas de 45 grados. (Sugerencia: no lo hicieron.) ¡Usan ambos con salvaje abandono!

Más primeros planos...

Como se puede ver, parece que la única correlación real entre cuándo se utiliza uno u otro es que cuando se necesita una mayor densidad de rutas, se utiliza mucho más a menudo el giro de 45 grados (aunque no siempre). Esta es la única preocupación que realmente influye en la elección de las esquinas. Por lo demás, usa lo que quieras. Está claro que a este diseñador no le gustaba particularmente ninguno de los dos más que el otro. Probablemente solía pegar las placas con cinta adhesiva, pero ha pasado a utilizar herramientas EDA. Él no estaba usando ángulos de 90 grados O ángulos de 45 grados en sus trazos antes, y no tiene ninguna preferencia cuando él o ella diseñó esto.

Si estás usando FR4, entonces los ángulos rectos no importan. Por la sencilla razón de que si puedes tolerar la pérdida dieléctrica causada por el FR4 en tu señal, no es lo suficientemente rápida como para que los ángulos rectos importen. Incluso el Wifi de 2,4GHz tiene una longitud de onda de unas 5 pulgadas. Por supuesto, no se verá afectado de forma significativa por una característica de órdenes de magnitud más pequeñas que su propia longitud de onda, como la esquina de la traza de la forma. Dos giros de 45 grados o uno de 90 grados van a ser prácticamente idénticos en su efecto global.

Y, la forma ni siquiera es el factor importante en los casos en que la frecuencia afecta. Lo es la impedancia. Hay que mantener una impedancia característica, de forma que la impedancia instantánea que ve la señal en cualquier paso del camino sea siempre la misma. Las discontinuidades son las que provocan las reflexiones y la radiación. La forma más fácil de mantener la impedancia es simplemente utilizar curvas, pero éstas deben tener un radio de curvatura al menos 3 veces el ancho de la traza. Esto es para mantener el ancho de la traza a un valor casi constante, manteniendo así la impedancia. Esto es lo que determina la forma, pero cualquier estrategia que mantenga la impedancia es válida.

Una última foto, el interior de un viejo osciloscopio Tektronix:

Si necesitas acortar una traza de forma más compacta, entonces usar un ángulo de 90 grados o dos de 45 grados es incorrecto. Un ángulo de 90 grados provoca una discontinuidad de impedancia cuando el ancho de la traza se incrementa en un factor de \$\sqrt{2}\$ en la esquina de 90 grados, provocando una caída repentina de la impedancia. Esto sí que provocará reflexiones e irradiará.

Si se utiliza un ángulo de 45 grados, se provocan no sólo una sino dos discontinuidades, y aunque individualmente no son tan graves (cada ángulo de 45 grados amplía el trazado en un factor de \$\sqrt{4-\sqrt{2}}\$ ), esa diferencia de aproximadamente 1,08 sigue siendo un cambio de impedancia significativo, y causa reflexiones y radiación. Sólo que ocurre dos veces, por lo que obtendrás múltiples reflexiones y radiaciones con cambio de fase. Los ángulos de 45 grados no son, en el mejor de los casos, mejores que los ángulos rectos en los mismos aspectos que supuestamente los hacen "mejores". La simple verdad es que no hay ninguna razón real, y esencialmente ninguna diferencia entre ellos.

Entonces, ¿cómo se puede tomar correctamente una curva cuando la estrategia de curva realmente importa? Como quieras, siempre que mantengas la impedancia. Lo cual no es posible con curvas de 90 o 45 grados. Puedes mantener la impedancia de la forma que quieras, y aunque es difícil aumentar la impedancia para equilibrar la anchura extra (y la pérdida de impedancia) causada por las curvas de 45 o 90 grados, es fácil reducir la impedancia para equilibrar el aumento de impedancia estrechando la traza.

Retrocedamos un segundo y examinemos todo el asunto de la anchura de la traza frente a la impedancia. ¿Por qué la anchura de la traza tiene un efecto tan significativo en la impedancia? No es por el pequeño cambio en la ya minúscula resistencia de CC, por supuesto.

¡Es la capacitancia! Esas trazas forman una placa de un condensador con el plano de retorno de la señal por debajo. Así que una vez que has añadido un área extra usando un ángulo recto o una traza de 45 grados, no hay nada que puedas hacer, esa capacitancia extra está ahí para quedarse. Sin embargo, si usted Toma una esquina de 90 grados y corta parte de la esquina en un lado, y basándose en la constante dieléctrica del sustrato de su PCB, así como en su grosor entre la traza de la señal y el plano de retorno, puede calcular exactamente cuánto necesita cortar para mantener la capacitancia total.

Y el resultado es, en cierto modo, la yuxtaposición de una curva de 45 y 90 grados:

Fundamentalmente, se trata de una esquina de 90 grados a la que se le ha cortado un poco (a inglete) para mantener la capacitancia y, por tanto, la impedancia. No hay nada malo en los ángulos agudos si se tiene en cuenta la impedancia. Las curvas son simplemente más fáciles, así que las prefiero porque soy perezoso. Sin embargo, a veces ocupan demasiado espacio.

El hecho de que se haga una curva de 90 grados o de 45 grados es irrelevante. Puedes trazar una ruta topológica y no seguir ninguna dirección si lo prefieres. Todo esto comenzó con una peculiaridad del software y se ha convertido en una tradición, e incluso aparentemente en una superstición. Le prometo que cualquier ingeniero que afirme que esto tiene alguna importancia nunca lo respaldará con datos concretos, y no podrá hacerlo si se le presiona para que lo haga. Es fácil encontrar pruebas de que no importa, porque no importa. Por eso acabo de tomar algunas fotos para demostrar mi punto de vista. En las situaciones de alta gama sí importa, cualquier regla general sobre una esquina sobre la otra es completamente inútil de todos modos, ya que ambas son igual de erróneas.

Si puedes usar trazos de 45 grados, puedes usar los de 90 grados sin ningún impacto medible. Utiliza la que más te guste o se adapte a una densidad de trazado concreta. Los ingenieros nunca se preocuparon, y no hay razón para que tú lo hagas. No te dejes arrastrar por las respuestas sin fundamento (votadas como, desgraciadamente, son, a pesar de ser información falsa). Valida las reglas que te dicen con datos. La tradición y la fe no tienen cabida en la buena ingeniería.

Answer 2

Voy a ir a contracorriente y te sugiero que leas "Right the first time" de Lee W. Ritchey. http://www.thehighspeeddesignbook.com/

De especial interés es el capítulo 25, en el que el autor se esfuerza por señalar:

"que la regla [de no tener ángulos rectos] surgió como resultado de una figura particular (Figura 7-17) que aparece en una página particular (página 144), del Manual de Sistemas ECL de Motorola que se publicó en 1973. Esta figura muestra dos trazos, lado a lado, uno con dos curvas de ángulo recto y el otro con con esas curvas redondeadas. Debajo de esa imagen hay dos osciloscopios osciloscopio. La traza del ejemplo de la curva en ángulo recto tiene dos pequeños en el centro de la misma, mientras que la traza de las esquinas redondeadas no tiene ninguno. Esto sugiere que las curvas en ángulo recto causan un problema. Volviendo a la página 140 del mismo manual, la Figura 7-14 muestra una traza con dos curvas en ángulo recto y ninguna perturbación en ninguna perturbación de cualquiera de las curvas. Parece un conflicto. Yo [Ritchey] llamé a al autor para cuestionar esto y me dijeron que la figura 7-17 era que la figura 7-17 era defectuosa y que no debía publicarse. Así que, durante todo este tiempo los ingenieros han estado impidiendo el uso de curvas en ángulo recto basándose en datos erróneos. (Nota: El Manual de Sistemas ECL de Motorola está disponible como archivo PDF en On Semiconductor en www.onsemi.com.)"

El autor continúa diciendo: "Las curvas en ángulo recto no causan problemas de integridad de la señal a ninguna velocidad de borde práctica. Las curvas en ángulo recto tampoco causan EMI. Los codos en ángulo recto no son trampas de ácido. No hay ninguna buena razón técnica para impedir el uso de de ángulos rectos para enrutar las trazas en una PCB".

Por lo tanto, a partir de este consejo, desde un punto de vista puramente eléctrico, no hay razón para evitar las curvas de 90 grados. Otra cosa es que haya consideraciones mecánicas, como el levantamiento de las trazas a altas temperaturas, etc.

Personalmente, intento que los trazos sean lo más cortos posible, lo que suele significar líneas rectas (sin curvas) siempre que sea posible. No pierdo el sueño por añadir curvas de 90 grados si es necesario: mantener todo a 45 (o 135) grados utiliza mucho "espacio" de la PCB en los diseños más ajustados.

Answer 3

En general, cuanto más cortas son las trazas, menos pérdidas y mejor funcionan las cosas. Los ángulos rectos hacen que las trazas sean más largas, por lo que no son deseables. Aunque la diferencia es minúscula para la mayoría de los circuitos de tipo aficionado. Si estás experimentando con resistencias, condensadores, 555's y 2N2222's, si debes usar un ángulo recto, hazlo, pero no te acostumbres a ello. Como dice JRE, también son difíciles de grabar correctamente.

Las cosas se ponen interesantes a altas frecuencias, por encima de los 100MHz. A medida que aumenta la frecuencia de una señal, comienzan a manifestarse todo tipo de efectos físicos (física) que afectan a la señal a medida que viaja (se propaga) a través de la PCB. Como la frecuencia es tan rápida, la longitud de onda es muy corta, lo que significa que una traza de PCB puede empezar a parecer lo suficientemente grande como para ser una antena e irradiar energía al espacio libre. A frecuencias aún más altas, las grandes secciones de cobre aparecen como capacitancia, las esquinas afiladas aparecen como resistencia (técnicamente - impedancia), los huecos en una pista aparecen como un filtro, incluso el propio material del PCB influye en las cosas - llamado la constante dieléctrica. Este diseño (intencionado) es muy especializado y complejo. Normalmente, la mayoría de los diseños electrónicos evitan estos efectos utilizando frecuencias más bajas, haciendo pistas de PCB más cortas, etc.

EMI es una interferencia electromagnética, es decir, la generación o inducción no deseada de señales de RF no intencionadas. EMC (Electro-Magnetic Compliance) es el oficio de probar las placas de circuito impreso para detectar la radiación no deseada (y la susceptibilidad). Una carrera en EMC nace de una gran comprensión de la física, la teoría de RF y la electrónica.

Answer 4

Siempre hay que evitarlo. Quizá recuerdes que un pararrayos tiene un extremo afilado. La razón es que el campo eléctrico se concentra allí y lo hace "más atractivo" para el rayo que otras superficies.

Del mismo modo, el borde afilado de un ángulo de 90 grados es malo, se pueden generar más interferencias allí, la discontinuidad de la impedancia de la línea de PCB es peor, etc.

Por supuesto, evítalos.

Answer 5

La regla en la que todos los diseñadores estarían de acuerdo es: evitar cualquier ángulo que no sea de 45 o 90 grados.

Es cierto que los ángulos rectos pueden ser un problema para ciertos procesos de fabricación. El problema sería aún mayor en el caso de los ángulos agudos, que están totalmente desaconsejados. Sin embargo, la mayoría de las fábricas modernas no deberían tener problemas ni siquiera con éstos. Información relacionada con trampas de ácido es aquí .

La longitud del trazado y sobre todo la estética son factores que favorecen las curvas de 45 grados. ¡Tenga en cuenta que es sólo la estética el hecho que explica por qué usted no ve curvas de 55 grados en cualquier tabla decente!

Si está diseñando una placa de alto voltaje, probablemente también debería prestar atención a evitar cualquier esquina.

En lo que respecta al rendimiento de RF o a la compatibilidad electromagnética (que no están desvinculados), lo mejor es utilizar un trazado de retorno correctamente dirigido para la mayoría de los trazados de RF. Tenga en cuenta que puede enrutar una curva de 90 grados de microstrip sin problemas si inglete el borde exterior correctamente. Así que esto no es un argumento a favor o en contra de las curvas de 90 grados.