Taller de Circuitos Impresos por el Instituto Tecnologico Superior Rumiñahui

Presentacion sobre circuitos electronicos

1. Semana 2 D iseño en CAD y consideraciones de circuitos impresos

2. Alternativas a la PCB: sistemas de prototipado Protoboard (Regleta) Está compuesta por bloques de plástico perforados y numerosas láminas delgadas, de una aleación de cobre, estaño y fósforo, que unen dichas perforaciones, creando una serie de líneas de conducción paralelas.

3. Alternativas a la PCB: sistemas de prototipado Protoboard (Regleta)

4. Alternativas a la PCB: sistemas de prototipado Protoboard (Regleta)

5. Alternativas a la PCB: sistemas de prototipado Perfboard (Tarjeta perforada) Placa de circuito perforada ( distancia=2,54mm ) cuyos huecos están circundados por material conductor, usualmente cobre, pero que no están interconectados entre sí.

6. Alternativas a la PCB: sistemas de prototipado Stripboard Similar a la perfboard , pero los agujeros están conectados entre si en líneas.

7. Características básicas de los sustratos Grosor variable entre 0.8 y 3.2mm, típico de 1.6mm (lamina de 1/16 inches ). Temperatura de transición del vidrio normalmente inferior a 170ºC. Aguante del laminado a picos de temperatura mientras ocurre la soldadura. Coeficiente de expansión térmica razonable y constante. Constante dieléctrica. Pérdidas a altas frecuencias. Las láminas de cobre suelen tener diferente grosor (altura para las pistas de alimentación ). Suele estar en orden de decenas de micras. Valor estándar de 1 onza: 1onza = 35µm . Otros valores 1/2 onza, 2 onzas, 3 onzas Las alternativas al cobre son el aluminio y el níquel, aunque en realidad son poco comunes .

8. Sustratos empleados: Resina Fenólica y fibra de papel (baquelita, pertinax ): Bajo costo, pobres características mecánicas y eléctricas. Orden de MHz. Resina Epoxi y tela de vidrio (FR4): Costo razonable, muy buenas características mecánicas y eléctricas. Orden de Centenares de MHz. Politreta fluoroetileno (PTFE): Costo elevado, muy buenas características eléctricas y mecánicas , pero requiere soporte mecánico adicional. Orden de GHz. Alúmina: Material cerámico de costo elevado, muy buenas características eléctricas, no puede ser maquinado con facilidad. Orden de GHz. Kapton : Polímero de altísima flexibilidad y duración ante reiteradas flexiones. Se emplea en la fabricación de circuitos flexibles.

9. Pasos generales para la elaboración de PCB. Diseño: un circuito complejo requiere el uso de herramientas computacionales que permitan diseñar y simular el esquema electrónico. Cortado: conocido el tamaño del circuito, se procede a realizar el corte de la tarjeta. Impresión en la placa de cobre: una vez que la máscara está lista, se procede a grabarla en la placa. Atacado del cobre: se inserta la placa de cobre previamente grabada, en soluciones ácidas que eliminan el cobre no deseado. Limpieza y taladro: se realiza el lavado y limpieza de la placa para eliminar todas las impurezas, luego se perforan los orificios en donde se colocarán los componentes . Soldadura: etapa donde se realiza el montaje de los elementos electrónicos. Prueba de funcionamiento: antes de realizar interconexiones se verifica el funcionamiento del circuito (cortocircuitos, circuitos abiertos, soldaduras frías, etc.).

10. Consideraciones antes del diseño de un PCB Tomar en cuenta las limitaciones de inventarios de proveedores de materiales electrónicos . Antes de hacer la placa verifique cuidadosamente la interconexión y numeración de cada componente y de cada circuito integrado, así como el tamaño .

11. Efectos que se pueden presentar al elaborar una PCB Efecto resistivo en las pistas : Diseñar las pistas teniendo en cuenta la longitud, grosor y máxima corriente que deban conducir, en general, se tendrá en cuenta que: 0,8 mm de grosor soporta alrededor de 2 amperios; 2 mm, unos 5 amperios 4,5 mm, unos 10 amperios Aunque es una buena solución 1 mm/A (mínimo ). Las pistas de alimentación deberán ser de 2 mm mínimo Por lo general, la separación entre conductores es la misma que su anchura En los circuitos de instrumentación y de medición, ubicar los componentes de tal forma que la longitud de las pistas sea los más pequeña posible, para evitar efectos de carga en línea de interconexión.

12. Efectos que se pueden presentar al elaborar una PCB Efecto térmico: Estudiar la colocación de los componentes teniendo en cuenta la interconexión, interferencias térmicas e interferencias electromagnéticas. Las condiciones de temperatura podrán causar ligeras variaciones en el valor de la resistencia. Colocar disipadores a los dispositivos de potencia, acompañado de grasa termo conductiva entre ellos (evitar los espacios de aire). Ubicar los disipadores en lugares ventilados y alejados de componentes sensibles a la temperatura.

13. Efectos que se pueden presentar al elaborar una PCB Efecto capacitivo e inductivo : Para evitar corrientes inducidas, producto de circuitos de alta potencia, se debe distanciar los circuitos de control de los circuitos de potencia . Para evitar el efecto de capacitancias parasitas, se debe evitar el paralelismo entre pistas o planos y se aconseja utilizar rectas horizontales en una cara con rectas verticales. Orientar de forma perpendicular al PCB las bobinas y transformadores, para evitar las influencias magnéticas sobre otros circuitos. Para los circuitos de alta frecuencia es recomendable curvas de las pistas que no superen un ángulo de 45°.

14. Normas básicas de diseño Se diseñará sobre una hoja cuadriculada en décimas de pulgada o en un programa de diseño de circuitos impresos con la rejilla en décimas de pulgada, de modo que se hagan coincidir las pistas con las líneas de la cuadrícula o formando un ángulo de 45º con éstas, y los puntos de soldadura con las intersecciones de las líneas

15. Normas básicas de diseño Se tratará de realizar un diseño lo más sencillo posible; cuanto más cortas sean las pistas y más simple la distribución de componentes, mejor resultará el diseño. No se realizarán pistas con ángulos de 90º; cuando sea preciso efectuar un giro en una pista, se hará con dos ángulos de 135º; si es necesario ejecutar una bifurcación en una pista, se hará suavizando los ángulos con sendos triángulos a cada lado.

16. Normas básicas de diseño Los puntos de soldadura consistirán en círculos cuyo diámetro será, al menos, el doble del ancho de la pista que en él termina. El ancho de las pistas dependerá de la intensidad que vaya a circular por ellas. Se tendrá en cuenta que 0,8 mm puede soportar, dependiendo del espesor de la pista, alrededor de 2 amperios; 2 mm, unos 5 amperios; y 4,5 mm, unos 10 amperios. Entre pistas próximas y entre pistas y puntos de soldadura, se observará una distancia que dependerá de la tensión eléctrica que se prevea existirá entre ellas; como norma general, se dejará una distancia mínima de unos 0,8 mm. ; en casos de diseños complejos, se podrá disminuir los 0,8 mm hasta 0,4 mm. En algunas ocasiones será preciso cortar una porción de ciertos puntos de soldadura para que se cumpla esta norma.

17. Normas básicas de diseño La distancia mínima entre pistas y los bordes de la placa será de dos décimas de pulgada, aproximadamente unos 5 mm. Todos los componentes se colocarán paralelos a los bordes de la placa. No se podrán colocar pistas entre los bordes de la placa y los puntos de soldadura de terminales de entrada, salida o alimentación, exceptuando la pista de masa.

18. Normas básicas de diseño No se pasarán pistas entre dos terminales de componentes activos (transistores, tiristores, etc.). Se debe prever la sujeción de la placa a un chasis o caja; para ello se dispondrá un taladro de 3,5 mm en cada esquina de la placa. Como norma general, se debe dejar, 5 a 2 milímetros de patilla entre el cuerpo de los componentes y el punto de soldadura correspondiente

19. Normas básicas de diseño La pista debe disponerse sobre el nodo perpendicularmente, y no de forma tangencial Con el fin de facilitar una buena soldadura hay que evitar áreas excesivas de cobre , ya que, en caso contrario, la soldadura se extiende y se pueden producir cortocircuitos entre contactos próximos durante el proceso de soldadura En los casos de pistas de masa, blindajes, etc... en los que se requieren grandes superficies de cobre, se debe diseñar una rejilla de tipo rayado, con el fin de que el soporte aislante no se deforme

20. Normas básicas de diseño Cuando se tengan que unir dos nodos próximos, siempre deberá trazarse un mínimo de tramo de pista entre ambos, para evitar que al soldar una patilla se desuelde la otra. Al trazar las pistas de unión entre varios nodos se debe evitar la formación de ángulos agudos entre nodos comunes que pueden producir puentes desoldadura .

21. Normas básicas de diseño En algunos circuitos se pueden utilizar módulos SMT que son pequeñas tarjetas de circuito impreso que se inserta sobre otra tarjeta mayor. Existen cuatro tipos de módulos SMT y cada uno de ellos utiliza diferente sistema de pines de conexión

22. Disposición de componentes Componentes de inserción THD ( Trough-Hole Device ). En estos componentes las patillas se insertan a través de los agujeros (nodos) para su posterior soldadura. Componentes de montaje en superficie SMD (Surface Mounted Device ). Con esta tecnología se logran tarjetas de muy alta densidad de componentes

23. Distribución de componentes De acuerdo a una rejilla uniforme. El tamaño de la rejilla varía en función de la complejidad del circuito Con una orientación definida. Con regularidad, funcionalidad y cierta lógica, ya que de este modo se facilita la fabricación y soldadura de los componentes

24. Distribución de componentes Debe darse una separación mínima entre componentes, limitada por el proceso de fabricación. Separando circuitos digitales, digitales/mixtos y analógicos. No hay que pasar más de un terminal o patilla de conexión por taladro de la placa . En el trazado de las pistas no deben quedar componentes aislados.

25. Distribución de componentes Se deben utilizar clips de fijación para componentes de gran tamaño con posibilidad de vibrar y entrar en resonancia. Cuando sea imprescindible, se pueden solucionar los cruces mediante puentes de hilo conductor realizados en la cara de componentes. La disposición de componentes debe ser paralela a los ejes X e Y, debiendo permitir la identificación de su código, valor, nomenclatura, etc. Los componentes que pertenezcan a un determinado grupo (resistencias, condensadores, diodos, transistores, circuitos integrados, etc.) deben montarse todos en el mismo sentido.

26. Distribución de componentes

27. Diseño de pistas de alimentación En todos los circuitos de alimentación existe una R-L-C parásita, tensiones de rizado, tensiones diferenciales entre dos puntos de masa, interferencias electromagnéticas, variaciones de la impedancia de salida de la fuente, etc., que tienden a desestabilizarla alimentación. Tanto el positivo como el negativo o masa deben tener una gran estabilidad y su distribución debe reducir los posibles bucles de corriente generados en el circuito. Los bucles de corriente se suelen generar por un circuito de señal y su retorno, por esto es muy importante que el camino o trazado de retorno sea directo.

28. Diseño de pistas de alimentación Las placas que contengan una mezcla de circuitos analógicos y digitales deben tener dos pistas de masa totalmente independientes para cada tipo de circuito. Se debe desacoplar las patillas de alimentación de todos los circuitos integrados y de todos los chips con condensadores cerámicos, situándolos lo más cerca posible de cada integrado.

29. Diseño de pistas de alimentación Se debe tratar de que el plano o pista general de masa cubra aproximadamente un 50% de la superficie total de la placa como mínimo. El ancho mínimo de una pista de alimentación debe ser de 2 mm. Para evitar que se generen zonas de bucles de corriente se puede trazar la alimentación de tres formas posibles: Con una distribución en forma de malla muy tupida. Con un plano de positivo y otro de masa. Con la utilización de barras-bus de alimentación que pueden pasar al lado o por debajo de los integrados.

30. Proceso de implementación en PCB de un sistema electrónico Fase de Diseño : En esta fase se va a crear el “Diseño” o “Ilustraciones ” de la PCB del sistema Electrónico (SE) Fase de Fabricación : Es la fase en la que se fabrica la PCB y queda lista para añadirle los componentes Fase de ensamblaje: En la que se ensamblan los componentes electrónicos a la PCB Fase de Test : En esta fase se realiza la comprobación definitiva de que el SE cumple las especificaciones del mismo

31. Proceso de implementación en PCB de un sistema electrónico: Diseño Fase de Diseño: Esquemático: es el diagrama del circuito electrónico donde aparecen los diferentes componentes electrónicos y la interconexión entre ellos

32. Proceso de implementación en PCB de un sistema electrónico: Diseño “ Layout o diseño” (dibujo físico de la placa): Es el dibujo donde aparecen los componentes electrónicos con sus huellas a tamaño real (“ footprint ”) en la posición que van a ocupar en la PCB final (colocación de componentes- placed-) y los caminos de interconexión entre pines ( interconexionado-routing )

33. Proceso de implementación en PCB de un sistema electrónico: Diseño Hoy en día el procedimiento de diseño se hace mediantes herramientas CAD adecuadas a este propósito. Existen muchas herramientas para realizar el diseño de la PCB, comerciales y abiertas o de uso gratuito, como por ejemplo : ALTIUM (http://www.altium.com/) Herramienta comercial. Alto coste de licencia. Quizás la más usada en entornos profesionales. Design Spark (http://www.rs-online.com/designspark/electronics/) Herramienta gratuita. Proporcionada por RS Multinacional dedicada a la venta de componentes electrónicos. EAGLE (https:// www.autodesk.com/products/eagle/overview) Herramienta multiplataforma, adquirida en Junio de 2016 por Autodesk. En la versión de 2017 la opción premium (sin restricciones) es gratuita para el nivel educativo (profesores/estudiantes ). KICAD (http://kicad-pcb.org /) Es un conjunto de herramientas software abiertas (OPEN SOURCE) para la automatización del diseño electrónico.

34. Proceso de implementación en PCB de un sistema electrónico: Diseño Proteus Design Suite. (www.labcenter . com ) Desarrollado por Labcenter Electronics Ltd . Software propietario Livewire (www.new-wave-concepts.com) Desarrollado por New Wave Concepts Existe versiones educativo y profesionales

35. Proceso de implementación en PCB de un sistema electrónico: Diseño Los procesos básicos que hay que realizar en las diferentes herramientas de diseño de PCBs son comunes: Creación de librerías de componentes . Antes de poder realizar un esquemático y posterior layout de la PCB es necesario asegurar que se tienen todos los componentes en alguna librería con su visión de símbolo (esquemático) y de huella ( footprint - para layout ). Si no se dispusiese de todos los componentes será necesario crear una librería propia y realizar el diseño de símbolo y huella de cada componente que falte. D iseño del esquemático. A partir del diseño del sistema electrónico, y con los componentes de las librerías adecuados en su visón de símbolo, se realiza el diseño del esquemático. La mayoría de herramientas permite realizar un chequeo de reglas eléctricas (ERC- Electric Rules Chek ) para detectar posibles errores importantes en el diseño.

36. Proceso de implementación en PCB de un sistema electrónico: Diseño Diseño del Layout ( board ). A partir del esquemático, las herramientas generan una primera visión de la placa, donde aparecen todos los componentes, en su visión de huella, y las conexiones existentes entre los pines de los componentes. Para diseñar la Board hay dos pasos importantes : Colocación de componentes : sobre el área que se disponga para la PCB se deben colocar cada uno de los componentes. Proceso manual Rutado de Pistas: se trazan las pistas de la PCB. La mayoría de las herramientas tienen autorouter (proceso automático). La experiencia dice que, solo en casos muy simples funciona bien. La mayoría de PCBs se trazan manualmente. Las herramientas de diseño layout suelen incorporar un chequeador de reglas de diseño (DRC- Design Rule Check )

37. Proceso de implementación en PCB de un sistema electrónico: Diseño Generación de GERBERS: La información que se pasa al fabricante en si de la PCB es a través de unos ficheros que se denominan GERBERS. Es un formato especial de ficheros con información geométrica de las diferentes capas de la PCB: Gerber de la solder side Gerber de la CMP side Gerber de los taladros usados Gerber del posicionamiento de agujeros( drills ) Gerber de la dimensión de la PCB

38. Proceso de implementación en PCB de un sistema electrónico: Diseño Sobre el formato GERBER : Formato de fichero ASCII con información de imágenes binarias en 2D Se dice que es el formato estándar para PCBs Se suele usar un fichero por capa del diseño PCB Existen tres estandares de ficherosGERBER : Standar Gerber o RS-274-D --> obsoleto desde2012 Gerber X o RS-242X --> nuevo estándar gerber desde 2012 Gerber X2 --> Standard desde 2014, compatible con gerber x pero añade en cada fichero metadatos útiles sobre todo en el proceso de test.

39. Bibliografía https :// www.autodesk.com/products/eagle/overview http://www.rs-online.com/designspark/electronics/ http ://www.altium.com /

40. GRACIAS Instituto Tecnológico Superior Rumiñahui Carrera Semipresencial - Electricidad