Prototipos PCB. Que tener en cuenta

June 21, 2019 Jorge De Castro Casares

 

Cuando comenzamos un nuevo diseño cargado de integrados, condensadores, resistencias, bobinas y un increíble cúmulo de conectores para los periféricos de tu sistema, habitualmente nos encontrarnos con el problema de cómo empezar a distribuir los mismos en la superficie útil de tu PCB. Pero antes de comenzar, debemos hablar con nuestro equipo de ingenieros mecánicos o CAD, para que antes de empezar a trazar pistas y vías, discernir dónde colocar los conectores de alimentación y periféricos de tu sistema para que mecánicamente todo encaje y el producto final fluya.

Todos nos hemos encontrado alguna vez con este afamado y odioso problema, y con esa reunión, previa al diseño PCB, con el equipo de CAD. Pero ¿cuál es la mejor manera de evitar este tipo de problemas?

En que debemos centrarnos primero

En un primer momento, cuando tenemos delante el esquema eléctrico de tu nuevo diseño de PCB, debemos reservar unos minutos para ir hoja por hoja del esquema eléctrico, y analizando cómo se comporta el mismo.

Primero, hay que buscar los conectores de alimentación, los conectores de los periféricos y los integrados, y antes de posicionarlos en la PCB, intentar pensar cuál es la mejor forma de trazar pista para alimentarlos y que tenga menor recorrido y sección óptima para el flujo de corriente. Podemos realizar el cálculo rápido con la siguiente fórmula:

 

El motivo del “camino más corto” o menor recorrido hasta el componente, cobra sentido en función del tipo de alimentación, o bien alterna o continua, o bien conmutada o a través de baterías.

Si nos encontramos en todos los casos anteriores, cuanto menor sea el camino, menor es la longitud de onda de la pista, y por tanto a mayores frecuencias resonara el sistema, por lo que la potencia radiada debido al lazo de corriente que se genere se encontrará en frecuencias donde será más tolerante el nivel de emisión, lo que nos ayudará a sobrevivir en los futuros ensayos.

Imagen que contiene texto, mapaDescripción generada automáticamente

Niveles de emisión equipo IOT de 30 MHz a 1GHz.

Una vez que tenemos la idea de cómo distribuir la alimentación por los integrados, es hora de que nos centramos en los componentes pasivos necesarios para su correcto funcionamiento.

No es necesario que conocer minuciosamente y al detalle el porqué las resistencias, condensadores o bobinas tienen un determinado valor, para ello ya se han realizado cálculos en los esquemas eléctricos que te ofrece el fabricante en su hoja de datos, o bien se ha hecho durante la realización del esquema, simplemente tenemos que ver su distribución y cómo debería circular la corriente por los mismos.

Hablemos de conjuntos de componentes

 

Una de las ventajas que tiene Altium es que podemos crear pequeñas “rooms” o habitaciones, con sus reglas eléctricas, lo que facilita bastante el posicionamiento y rutado. Hablaremos de ellos como conjuntos de componentes.

Por ejemplo, imaginemos que tenemos un integrado que cuenta con condensadores de acoplo y/o desacoplo, y resistencias para controlar la corriente que entra al mismo.

Todos estos componentes pasivos pertenecen al integrado y deben de estar lo más cercano a él. Si habilitamos una “room”, podemos generar un conjunto uniforme que más adelante podremos posicionar con total libertad donde consideremos mejor.


Imagen que contiene ordenador, electrónica, interior

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“Room” de componentes del esquema eléctrico en la PCB.

Una vez que hemos generado todos los conjuntos de componentes con los que cuenta la PCB, podremos mover la superficie marcada en rojo perteneciente al “room”, y así desplazar todos los componentes, pistas y vías de una forma más sencilla.

Lo siguiente que debemos hacer es disponer los conectores en el contorno de nuestro PCB.

Conectores

Cuando hemos llegado a este paso, es un buen momento para contactar con el equipo de diseño mecánico. Este nos indicará donde y de qué manera debemos posicionar los conectores para que todo quede acorde y en armonía con las piezas mecánicas que forman el producto final.

Por este motivo, una de las ventajas que ofrece Altium es la de poder introducir y exportar modelos 3D CAD.  Así, el equipo mecánico te puede ofrecer su modelo 3D para que generemos la forma del contorno de la PCB, dispongamos los agujeros para los tornillos, situemos los conectores como corresponde y el resto de integrados y componentes en la superficie restante.

Imagen que contiene captura de pantalla, ordenador, pantalla, electrónica

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Posicionamiento de conectores en el borde de la PCB para un correcto ajuste con el resto del CAD del prototipo.

Otra manera de afrontar este problema es con la herramienta Altium 365, una nube donde colgar nuestros diseños, y donde el equipo mecánico puede realizar consultas y modificar la posición de los modelos 3D, y de esta manera adaptarnos para evitar el tener que realizar la ardua tarea de llevar de un lado para otro los CADs.

Puedes saber más sobre Altium 365 en este enlace.

Vayamos al rutado

Ahora que tenemos todo de acorde en nuestro PCB, y este convive en armonía con la parte mecánica del producto, es un buen momento para iniciar las labores de ruteado.

Una de las técnicas que se pueden usar para facilitar el montaje de los conectores es la de sobredimensionar los ‘pads’.

Imagen que contiene captura de pantalla, monitor

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“Pads” sobredimensionados respecto a “pads” normales.

De este modo al tener mayor superficie de cobre la temperatura se reparte mejor y facilita la soldadura y el testeo.

Para comenzara a trazar las pistas, lo mejor es tras iniciar el camino al salir del conector, realizar una vía de agujero pasante desde la capa superior a la inferior, y comenzar a distribuirlas por la superficie de la última, al llegar al componente realizar otra vía a la capa superior y acabar conectándolo al “pad” que corresponda. De esta manera, iremos rellenando las capas desde abajo hacia arriba, teniendo un mayor control del stack-up y del rutado, y evitando de esta manera cualquier tipo de perturbación que podría generar la conexión de un periférico a su conector, y por tanto a la pista trazada, omitiéndo a través de la vía.

Imagen que contiene electrónica, monitor, ordenador, interior

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La pista comienza en la capa inferior y se desplaza hasta el “pad” del integrado al que se une por una vía.

Otro pequeño truco, es el de intentar añadir al diseño final antes de generar los archivos gerbers, ficheros de fabricación, es introducir resistencias de muy pocos ohmios de encapsulados fáciles de soldar y donde sea más cómodo situar la sonda de los equipos de medida, como por ejemplo 1206. De esta manera facilitaremos realizar mediciones del circuito antes de conectarlo, y también evitar dañar los componentes e integrados.

Imagen que contiene electrónica, circuito

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Resistencias puente para realizar mediciones.

Normalmente, para esta tarea se suelen designar “Testpoints”, aunque el problema de estos es que se comportan como pequeñas antenas que pueden producir perturbaciones en el sistema, y más adelante, pueden convertirse en un problema durante los ensayos de emisión e inmunidad radiada del mundo electromagnético. Aunque habitualmente sea el método más usado para realizar mediciones y testeo, si decides utilizar este método podemos mitigar este problema de una forma más sencilla.

Ya casi esta

Si seguimos esta serie de pasos, el rutado no debería de resultar un problema, dado que deberemos haber conseguido una buena distribución de los conjuntos de componentes, grandes ‘pads’ de entrada y salida, y las pistas, vías, polígonos y planos podrán convivir sin molestarse.

Esta serie de pequeñas técnicas son una de las cosas que más nos ayudaran a la hora del diseño y fabricación, y así, podremos cumplir las normas de fabricación con menos restricciones, y por tanto el coste y tiempo de fabricación.

No debemos olvidar que es un prototipo, y el tiempo y el dinero premian.

 

 

 

Acerca del autor

Jorge De Castro Casares


Jorge de Castro es investigador de proyectos I+D+i para el Instituto de Investigación ITAP (Instituto de Tecnologías Avanzadas de la Producción), de la Universidad de Valladolid.

Además, trabaja como Director de Innovación en desarrollo electrónico en Agrosmart Solutions S.L.

Cuenta con años de experiencia como técnico de ensayos de EMC, y como diseñador de PCBs en diferentes industrias: telecomunicaciones, IOTs y electrónica de control.

Jorge de Castro is a researcher of R+D+i projects for the ITAP Research Institute (Institute of Advanced Production Technologies), of the University of Valladolid (Spain).

In addition, he Works as a Director of Innovation in electronic Development at Agrosmart Solutions S.L.

With years of experience as an EMC testing technician, and as a designer of PCBs in different industries: telecommunications, IOTs and control electronics.

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