Diseño y Fabricación de Circuitos Impresos con Altium Designer by mcelectronics

DISEÑO Y FABRICACIÓN DE CIRCUITOS IMPRESOS CON ALTIUM DESIGNER

Francisco Cantizano Cristian Guillermo Val Alejandro Airoldi

Airoldi, Alejandro Aníbal Diseño y fabricación de circuitos impresos con altium designer. - 2a ed. - Buenos Aires: mcelectronics, 2014.

464 p. + DVD ; 23x18 cm. ISBN 978-987-3702-01-3 1. Informática. 2. Software. I. Título CDD 004

Fecha de catalogación: Abril de 2014

© mcelectronics Hecho el depósito que marca la ley 11.723 Todos los derechos reservados. Ninguna parte de este libro, incluido el diseño de la portada, puede reproducirse, almacenarse o transmitirse de ninguna forma ni por ningún medio, sea este eléctrico, químico, mecánico, óptico, de grabación o de fotocopia, sin la previa autorización escrita por parte de mcelectronics. La infracción de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual. La editorial no se pronuncia ni expresa implícitamente respecto a la exactitud de la información contenida en este libro, razón por la cual no puede asumir ningún tipo de responsabilidad en caso de error u omisión. Las marcas mencionadas son propiedad exclusiva de sus registradores legales.

Corrección ortográfica y gramatical: Patricia Calzada Valle Diseño de Portada: Andrés Bustamante (BDG)

A nuestras familias y amigos por el apoyo incondicional.

DISEÑO Y FABRICACIÓN DE CIRCUITOS IMPRESOS CON ALTIUM DESIGNER SERVICIO DE AYUDA AL LECTOR Por favor no dude en escribirnos por consultas, sugerencias o para solicitar información adicional: training@altium.com.ar

EJERCICIOS Y RECURSOS Para completar los ejercicios por favor descargue los proyectos completos desde el siguiente link. Estos archivos son compatibles con Altium Designer 10 o posterior. www.altium.com.ar/training/files

CURSOS ON-LINE EN VIVO Puede tomar uno de nuestros cursos on-line para complementar la información de este libro. Es posible optar por clases grupales o bien una clase individual a través de Internet con un ingeniero de aplicación. También ofrecemos clases personalizadas a empresas. www.altium.com.ar/training

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SUMARIO INTRODUCCIÓN AL ENTORNO DE DESARROLLO Intoducción a la filosofía de Altium. Descubra todo el potencial del entorno unificado de desarrollo. Como obtener ayuda. Su relación con Altium.

DISEÑO DEL ESQUEMÁTICO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOS Aprenda a diseñar esquemáticos de manera eficiente para facilitar la reutilización de circuitos y el trabajo en equipo. Reglas de diseño. Simulación de circuitos para realizar análisis temporal y respuesta en frecuecia.

129

DISEÑO DE LIBRERÍAS, FOOTPRINTS Y MODELOS 3D Creación de una librería integrada. Trabajando con los modelos en 3 dimensiones. Creación de footprints con el asistente IPC. Ejercicios de aplicación para crean el símbolo y el footprint de un XTAL.

271

DISEÑO DEL PCB Reglas de ruteo, ruteo interactivo y ruteo avanzado (pares diferenciales y control de impedancia). Generación de capas y topología del PCB para crear circuitos simple faz, doble capa y multilayer. Diferentes especificaciones y formas de diseñar el circuito para optimizar tiempos y costos de fabricación.

303

REPORTES Y GENERACIÓN DE ARCHIVOS PARA FABRICACIÓN Aprenda a generar los archivos necesarios para fabricar su PCB. De esta forma podrá enviar los archivos directamente a su proveedor, ya sea una empresa montadora de componentes o un fabricante de circuitos impresos. Lista de materiales y reportes en PDF.

397

ÍNDICE GUÍA VISUAL ALTIUM DESIGNER 14 INTERFAZ DE USUARIO SOPORTE PARA DISEÑOS FLEX Y RIGID-FLEX LAYER STACK MANAGER SOPORTE PARA COMPONENTES EMBEBIDOS RUTEO DE PARES DIFERENCIALES ASISTENTE PARA IMPORTAR DESDE EAGLE

13 15 16 17 19 25 26

INTRODUCCIÓN AL ENTORNO DE DESARROLLO LA METODOLOGÍA DE ALTIUM EL ENTORNO DE DISEÑO UNIFICADO VAULTS REUTILIZACIÓN DE DISEÑOS LOS BENEFICIOS DEL DISEÑO UNIFICADO CROSS-PROBING QUÉ ES UN COMPONENTE COMPILAR UN DISEÑO SU RELACIÓN CON ALTIUM ALTIUM LIVE BUSCANDO AYUDA

29 33 35 37 42 50 52 61 63 66 67 74

EJERCICIOS PROPUESTOS PRIMEROS PASOS CREACIÓN DE UN PROYECTO VERSION CONTROL

85 109 117

DISEÑO DEL ESQUEMÁTICO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOS EL ESQUEMÁTICO REGLAS DE BUEN DISEÑO EL EDITOR DE ESQUEMÁTICO UBICANDO OBJETOS EN EL ESQUEMÁTICO TIPOS DE GRIDS OBJETOS GRAFICOS OBJETOS ELÉCTRICOS

129 133 136 149 151 156 157 169

EJERCICIOS PROPUESTOS CREACIÓN DE UN ESQUEMÁTICO COMPLETO REALIZAR UN TEMPLATE PARA ESQUEMÁTICOS SIMULACIÓN DE CIRCUITOS INTEGRIDAD DE SEÑAL

203 225 237 251

DISEÑO DE LIBRERÍAS, FOOTPRINTS Y MODELOS 3D CREAR EL SÍMBOLO DE UN CRISTAL FOOTPRINT DEL CRISTAL ASOCIAR EL MODELO 3D LIBRERÍA INTEGRADA CREACIÓN AUTOMÁTICA DE FOOTPRINTS

271 275 282 290 296 298

DISEÑO DEL PCB LA ESTRUCTURA DEL PCB MASCARA ANTISOLDANTE (SOLDER MASK) VIAS MANEJO DE CAPAS EN ALTIUM STACK MANAGER EL EDITOR DE PCB

303 305 313 315 319 321 327

EJERCICIOS PROPUESTOS TRANSFERENCIA DEL DISEÑO ANATOMÍA DE UN PCB REGLAS DE DISEÑO DEL PCB POSICIONAMIENTO DE LOS COMPONENTES Y RUTEO

345 349 353 361

PANELIZADO RUTEO AVANZADO - RUTEO DE PARES DIFERENCIALES RUTEO AVANZADO - CONTROL DE IMPEDANCIA AGREGANDO UN LOGO AL PCB

369 377 383 389

REPORTES Y GENERACIÓN DE ARCHIVOS PARA FABRICACIÓN OUTJOBS OUTPUT CONTAINERS HARD COPY - PRINT JOBS GENERACIÓN DE LAS SALIDAS

397 401 407 413 417

EJERCICIOS PROPUESTOS REPORTE DE SALIDA

425

APÉNDICE PCBS FLEXIBLES PCB FLEXIBLE TIPOS DE PCBs FLEXIBLES COMO IMPLEMENTARLO EN ALTIUM

437 439 441 444

BIBLIOGRAFÍA

451

GUÍA VISUAL ALTIUM DESIGNER 14 Un renovado editor de capas, diseños flex, mayor integración y un nuevo asistente para importar proyectos son sólo algunas de las ventajas de la versión 14 de Altium Designer.

INTERFAZ DE USUARIO Quienes estén acostumbrados a utilizar Altium Designer se darán cuenta a simple vista que la interfaz de usuario no ha sido modificada. Esto permite una inmediata adaptación al nuevo sistema. Esta nueva versión incluye un renovado layer stack manager, el cual facilita la implementación de diseños flex y regid flex. Además Altium Designer 14 permite el diseño de PCBs con componentes embebidos, más adelante profundizaremos sobre este tema pero, vale aclarar, que esta tecnología permite reducir drásticamente el tamaño del PCB. Esa nueva versión incluye también asistentes para importar documentos desde EAGLE y AutoCAD. A continuación vamos a detallar las características principales.

SOPORTE PARA DISEÑOS FLEX Y RIGID-FLEX

Ejemplo de un diseño regid flex Esta versión tiene la habilidad de manejar los desafíos de diseño que requieren los PCBs flexibles. Un PCB flexible es un circuito impreso sobre un sustrato aislante flexible. También existe la posibilidad de tener un PCB regid flex, el cual combina un PCB tradicional (rígido) con un PCB flexible. Habitualmente se colocan los componentes en los PCBs rígidos y los tramos flex sirven para interconectarlos.

LAYER STACK MANAGER En este nuevo layer stack manager es aun más simple crear un stack de capas. Ahora tenemos la posibilidad de crear un stack principal y sub stacks para los diseños rigid flex.

Este diseño está compuesto por tres stacks (2 rígidos y 1 flexible)

¿Cómo hacemos para definir el stack de capas de nuestro PCB? 1. Debemos definir la forma general de nuestro PCB regid flex. 2. Definimos un set de capas maestro que debe incluir todas las capas de nuestro diseño. 3. Definimos múltiples stacks de capas, donde cada stack incluye sólo las capas de cada diseño (zona rígida y zona flexible). 4. Definimos las diferentes zonas flexibles y rígidas y dónde aplicamos cada stack. 5. Por último, debemos generar los archivos necesarios para fabricación.

En esta imagen vemos el stack anterior con la especificación de cada capa. En el layer stack manager no sólo debemos definir la cantidad de capas sino también parámetros estructurales y eléctricos como ser, el espesor de cada capa, el tipo de prepreg y la constante dieléctrica del mismo.

SOPORTE PARA COMPONENTES EMBEBIDOS La creciente demanda actual de productos electrónicos, cada vez más pequeños e integrados combinado con las altas frecuencias que estos dispositivos manejan, obliga a los diseñadores a buscar nuevas formas de fabricar y ensamblar un circuito. Una técnica que brinda soporte a las altas frecuencias y una alta densidad de circuitos es la de embeber los componentes pasivos dentro de la estructura del PCB. Por ejemplo embeber un componente discreto directamente debajo de un circuito integrado puede resultar en: líneas de transmisión más cortas, reducción de la resistencia y de la inductancia parásita, reduciendo de esta forma la Emisión Electromagnética. Estas ventajas brindan productos más robustos permitiendo mayores velocidades de transmisión y mayor ancho de banda.

El PCB de la figura incluye dos componentes embebidos que deben ser montados en el proceso de fabricación.

DISEÑANDO CON COMPONENTES EMBEBIDOS En Altium Designer los componentes pueden ser colocados en cualquier capa de señal, no sólo en las tradicionales "top" y "bottom". Si estos componentes son colocados en una capa interna, los llamamos componentes embebidos. Tenemos dos posibilidades: 1. Componentes diminutos como los encapsulados 0201, estos son colocados en las capas internas sin necesidad de realizar una cavidad. Esto da como resultado un pequeño bulto en el PCB final. 2. Componentes SMD más grandes necesitan de una cavidad para ser introducidos en las capas internas del PCB.

En esta imagen vemos 3 componentes embebidos, dos de las cavidades son superficiales y la del centro está en las capas interiores del PCB.

Cuando es necesario crear una cavidad, esta puede estar totalmente embebida en el PCB o bien puede estar en las capas exteriores creando una abertura visible. Desde el punto de vista del dise帽ador el proceso de fabricaci贸n es el mismo para ambos casos (cavidades abiertas y cavidades cerradas).

En esta imagen se ve un componentes embebido dentro del PCB, por un lado se aprecia el volumen cavidad y por otro lado el componente.

DEFINIENDO EL TAMAÑO DE LA CAVIDAD Si un componente va a ser embebido y requiere una cavidad, esta debe ser definida como parte del footprint del componente. Es importante tener en cuenta que si el componente va a ser usado en una capa superficial esta cavidad será ignorada automáticamente por el programa.

Definición del outline de la cavidad Definimos la cavidad de la siguiente manera: 1. Abrimos el editor de footprint del componente y colocamos una región en la capa mecánica, esta región 3D debe contener todo el volumen del componente con suficiente espacio de cada lado (clearance). Chequee con el fabricante el mínimo espacio requerido para el montaje. 2. Edite esta región y setee el atributo Kind a Cavity Definition. 3. Confirme que está en la mechanical layer. 4. Setee la altura (height) a un valor que es la suma de la altura del componente más el clearance del fabricante.

MANEJO DE CAPAS CON COMPONENTES EMBEBIDOS Cuando embebe un componente, Altium Designer debe calcular c贸mo afecta al stack de capas. Por ejemplo debe calcular la abertura en la m谩scara de soldadura y actualizar el design rule checking. Cada vez que se inserta un componente embebido Altium crea lo que se denomina, Managed Stack. El Managed Stack define la estructura de la placa para albergar al componente embebido.

Layer stack Manager con 2 Managed Stacks (Stack 2 y Stack 0) Si abrimos el Layer Stack Manager y seleccionamos la opci贸n "Show all stacks" del men煤 inferior, podemos ver 2 Managed Stacks.

La capa superior del Stack 2 es Mid-Layer 1 y no hay otras capas encima de ella, lo que significa que la cavidad va a estar ubicada en Mid-Layer 1. La capa superior del Stack 0 es Mid-Layer 2 y no hay otras capas encima de ella, lo que significa que la cavidad va a estar ubicada en Mid-Layer 2. Lo mismo puede verse en el PCB. La imagen a continuaci贸n muestra las cavidades de dos componentes embebidos: R1 y C15.

Ambos Managed Stacks son visibles en el panel de la derecha.

RUTEO DE PARES DIFERENCIALES

Nuevas reglas para ruteo de pares diferenciales Esta versión incluye mejoras significativas en el ruteo de pares diferenciales: reglas de diseños más sencillas, ruteo interactivo y ajuste automático de la separación entre los pares diferenciales.

ASISTENTE PARA IMPORTAR DESDE EAGLE Esta es una buena noticia para los dise帽adores de EAGLE. Esta nueva versi贸n de Altium Designer incluye un asistente para importar archivos y librer铆as (.sch, .brd, .lbr ). Dentro del Import Wizard, debemos seleccionar la opci贸n EAGLE Proyects and Designers.

Proyecto importado desde EAGLE.

IMPORTAR/EXPORTAR DESDE AUTOCAD Muchas veces resulta útil importar el diseño de nuestro gabinete para así evitar posibles inconsistencias con el PCB. Altium Designer 14 incluye un asistente mejorado para importar archivos .dwg. y .dxf

Gabinete diseñado con un editor externo e importado dentro de Altium.

A lo largo del libro estudiaremos en profundidad las herramientas que propone Altium Designer y su filosofía de diseño.

2. DISEÑO DEL ESQUEMÁTICO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOS 29

SIMULACIร N DE CIRCUITOS Vamos a simular el funcionamiento de un filtro pasa bajos utilizando las herramientas del editor de esquemรกtico.

SIMULACIÓN DE CIRCUITOS

Vamos a utilizar como ejemplo un filtro pasa bajos con un OA 741. Este ejemplo sencillo nos va a permitir explorar las principales características de simulación que ofrece Altium Designer.

Filtro pasa bajos con LM741 Este filtro es muy utilizado para remover altas frecuencias de señales de audio, puede servir, por ejemplo, para un subwoofer. La frecuencia de corte está determinada por R1 y C2. Con los valores del ejemplo la frecuencia de corte es de aproximadamente 100Hz. A lo largo de este ejercicio vamos a ir variado C2 para observar cómo se modifica la respuesta en frecuencia.

Antes de agregar los componentes en el esquemático es importante verificar que tengan un modelo de simulación. Así como los componentes deben tener un footprint para poder crear el PCB, en el caso de la simulación deben tener un modelo de simulación asociado.

Capacitor con modelo de simulación Al seleccionar un componente de la librería vemos en el panel inferior si tiene o no asociado un modelo de simulación. Sucede algo similar con las fuentes de alimentación, estas se encuentra en la barra de herramientas Utilities, tal como indica la figura:

Barra de herramientas Utilities

Haciendo doble clic sobre una fuente de alimentación, luego Edit > Parameters, puede cambiar su frecuencia, fase y amplitud. Lo mismo sucede con el valor de las resistencia y capacitores.

Parámetros de la fuente de alimentación sinusoidal. 1-Copie el circuito completo en el editor de esquemático. Preste especial atención al valor de los componentes y a la posición de las fuentes de alimentación del amplificador operacional. Las nets Vin y Vout indican los puntos a medir.

NOTA: las nets GND son fundamentales a la hora de simular un circuito, ya que de otra forma no tenemos referencia alguna. 2-Una vez copiado el circuito estamos en condiciones de configurar la simulaci贸n, para esto vaya a Design > Simulate > Mixed Sim

En la ventana Analyses Setup seleccione las nets a medir Vamos a comenzar seleccionando las nets a medir, en este caso nos interesa Vin y Vout con lo cual las ubicamos del lado derecho. El sistema permite realizar varios tipos de simulaciones, en primera instancia vamos a seleccionar solo 2 de ellas: Transient Analysis y AC Small Signal Analysis.

En cada una de estas opciones de simulación se pueden configurar diferentes parámetros.

TRANSIENT ANALYSIS Este tipo de análisis da como resultado lo que habitualmente veríamos en un osciloscopio. Es decir muestras las señales en función del tiempo sobre un intervalo predefinido.

Opciones de configuración de Transient Analysis Es posible definir la ventana de simulación y el intervalo de cada muestra. En este ejemplo se analiza el circuito de 0 a 50 ms con un intervalo de muestra de 200us. 37

AC SMALL SIGNAL ANALYSIS Este anรกlisis muestra las variables seleccionadas en funciรณn de la frecuencia. Para esto es importante que por lo menos una fuente del circuito tenga un valor AC (AC Magnitude value).

Opciones de configuraciรณn de AC Small Signal Analysis Se define la frecuencia inicial, la final y la cantidad de puntos de anรกlisis antes de correr la simulaciรณn.

3-Una vez configurados todos los parámetros anteriores estamos en condiciones de correr la simulación. Para esto haga click en OK dentro de la ventana Analyses Setup. El resultado de la simulación aparecerá en un nuevo documento:

Transient Analysis En este caso estamos viendo el Transient Analysis con los cursores habilitados. Utilice los cursores del mismo modo que en un osciloscopio. Para habilitar los cursores vaya a Wave > Cursor A, Cursor B. La señal de arriba es Vin y la de abajo es Vout, apenas atenuada ya que su frecuencia es de 100Hhz, similar a la frecuencia de corte del filtro.

RESPUESTA EN FRECUENCIA Con el AC Small Signal Analysis puede ver cómo responde el filtro a diferentes frecuencias.

AC Small Signal Analysis El diagrama de abajo representa la señal Vout en función de la frecuencia. Nótese que comienza a decaer en la frecuencia de corte de 100Hhz. Puede guardar ambos gráficos como un archivo de Excel, como una imagen o bien imprimirlos directamente. Al tener las señales en función de la frecuencia, podemos obtener el grafico de Bode de ambas respuestas.

DIAGRAMAS DE BODE

Un grafico de bode está compuesto por dos curvas: el logaritmo de la fase en función del logaritmo de la frecuencia y el logaritmo de la ganancia en función del logaritmo de la frecuencia. 4-Agregue gráficos de bode a la curva actual de AC Small Signal Analysis. Para esto vaya a Wave > Add Wave y seleccione Vin y Vout en funcion de la Magnitud en dB

Opciones para agregar una nueva señal. Realice el mismo procedimiento con Vin y Vout pero esta vez con la Fase en Deg. De esta forma obtendrá los 2 gráficos correspondientes al diagrama de bode para cada una de las señales. 41

Diagrama del log. de la ganancia en funci贸n del log. de la frecuencia para Vout.

Diagrama del log. de la fase en funci贸n del log. de la frecuencia para Vout.

PARAMETER SWEEP

Vamos a realizar un análisis modificando los valores de los componentes a intervalos definidos para obtener varias curvas en la simulación y así comprender un poco más el funcionamiento del circuito. Este tipo de análisis donde se cambian uno o varios componentes durante la simulación se conoce como Parameter Sweep.

En la ventana Analyses Setup seleccione Parameter Sweep. Vamos a cambiar el valor del capacitor C2 para modificar la frecuencia de corte del filtro.

Coloque 10nF como valor inicial, 100nF como valor final y un paso de 10nF. Haga click en OK para correr la simulaci贸n.

Grafico de la tension de salida Vout para diferentes valores de C2.Notese que la salida se atenua a medida que aumentamos C2.

Respuesta en frecuencia del circuito para diferentes valores de C2. Naturalmente la frecuencia de corte disminuye al aumentar C2.

4. DISEﾃ前 DEL PCB

LA ESTRUCTURA DEL PCB Es importante conocer los diferentes tipos de PCB y su proceso de fabricación típico para poder estimar los costos durante la etapa de diseño. Esto se conoce habitualmente como Design for Manufacturing (DFM).

PCB SIMPLE CAPA

El PCB más sencillo de fabricar se denomina PCB simple capa porque solamente tiene conductores en uno de sus lados. Por lo general los conductores se encuentran del lado de abajo.

Para fabricar este tipo de PCB se utiliza un núcleo o CORE aislante (generalmente es FR4) y uno de sus lados es cubierto completamente con una capa de cobre. Luego se transfiere al diseño sobre este lado del PCB y a través de un proceso químico se elimina el cobre expuesto para que queden visibles las pistas y los PADs de los componentes. La capa superior de la placa (la que no tiene cobre) es llamada capa de componentes, en esa capa se colocan los componentes de montaje pasante y se sueldan del lado del cobre donde se encuentran los PADs. Distinto es el caso de los componentes de montaje superficial (SMD) ya que estos deben colocarse y soldarse del lado del cobre. En este tipo de PCBs la conexión eléctrica entre ambas caras se realiza mediante los pines de los componentes. Estos PCBs son sencillos de fabricar en forma casera y su costo es muy bajo. Generalmente se utilizan para aplicaciones con un bajo nivel de integración.

NÚCLEO DE FR4

Dijimos que el FR4 es el material con el que se fabrica el núcleo de los PCBs. Este sustrato o núcleo dieléctrico está compuesto por fibras de vidrio unidas por una resina epoxi resistente al fuego (flame resistant). De ahí su nombre FR, el 4 tiene que ver con la constante dieléctrica de permitividad que típicamente se encuentra en el orden de 4.7 pero como es sabido varia con la frecuencia. Es importante conocer las propiedades del material a distintas frecuencias especialmente en el diseño de líneas de transmisión. Más adelante en este libro veremos como elegir el material adecuando dependiendo de la frecuencia de trabajo y de la impedancia requerida.

PCB DOBLE CAPA

Este PCB permite diseños un poco más complejos, simplemente se agrega una capa de cobre sobre el lado superior. Este permite realizar un ruteo en ambas capas. En este caso también la conexión eléctrica se realiza a través de los pines de los componentes.

PCB de dos capas con pistas en la capa superior e inferior.

AGUJEROS METALIZADOS

En los dos primeros tipos de PCB vimos que la conexión eléctrica entre ambas capas se realiza mediante los pines de los componentes. Esto no permite circuitos complejos ya que limita el espacio físico disponible. Además no siempre va a coincidir el pin del componente cuando necesitemos conectar ambas caras. Es por eso que se utilizan agujeros conductores que comunican ambas capas. Se denominan agujeros metalizados o en ingles plated through holes (PTH).

El PTH se logra mediante electrodeposición colocando cobre dentro del agujero y de esta forma logrando la conexión eléctrica entre ambas capas sin necesidad de utilizar los pines de los componentes.

MULTILAYER Es posible crear PCBs que contengas más de 2 capas, este tipo de PCB se denominan multicapa (multilayer). Desde luego permiten un ruteo mucho más complejo y una alta integración de componentes, pero una de las características principales es la capacidad de agregar planos de alimentación entre las capas, por ejemplo VCC o GND, lo que ofrece una excelente protección contra el ruido eléctrico. Capas de señal (signal layers): Solamente se utilizan para llevar la información eléctrica entre los componentes. Capas de alimentación (plane layers): Estas capas están hechas de grandes bloques de cobre que generalmente se utilizan para VCC o GND, de esta forma al tener una gran superficie son muy útiles reduciendo o eliminando el ruido eléctrico.

Los PCB multicapa pueden ser fabricados de diferentes formas, la más sencilla consiste en laminar múltiples PCB de doble capa utilizando una resina o prepreg (pre-impregnated). La relación entre la cantidad de capas eléctricas y las capas prepreg puede ser definida por el diseñador de acuerdo al costo, a las dimensiones y a las características electromagnéticas requeridas.

En este primer ejemplo multicapa es posible fabricar los PCB doble capa por separado y luego unirlos con el prepreg formando un "sandwich". La distribuci贸n elegida de las capas de alimentaci贸n y las capas de se帽al es a efectos ilustrativos y no influye en el proceso de fabricaci贸n.

En este caso los 3 núcleos pueden ser fabricados en simultaneo pero luego las capas de prepreg y el cobre exterior deben ser agregados por separado en el proceso de laminación. Luego todo el PCB debe pasar por un proceso químico para eliminar el cobre no deseado de las capas exteriores.

En este última imagen vemos varias capas de prepreg montadas sobre un único núcleo. Este método es el más costoso ya que el PCB es fabricado progresivamente agregando capas de prepreg y cobre. Cada vez que se agrega una nueva capa, el PCB completo debe pasar por un proceso químico para eliminar el cobre no deseado. Esto da como resultado un PCB mucho más fino que en los 2 casos anteriores, sin embargo es fundamental considerar las propiedades electromagnéticas del prepreg al momento del diseño.

En Altium podemos diseñar cualquiera de estas versiones, pero es conveniente primero, chequear con el proveedor el costo y la posibilidad de fabricación.

MÁSCARA ANTISOLDANTE (SOLDER MASK)

Industrialmente los componentes se sueldan sobre el PCB utilizando una ola de estaño o bien un proceso de reflow dentro de un horno. En ambos casos corremos el riesgo de que se produzcan puentes entre pads o pistas adyacentes que no tengan una máscara antisoldante. Esta máscara es habitualmente de color verde, aunque en realidad puede fabricarse de cualquier color. Esta máscara protege al cobre y solamente deja expuestos los PADs para permitir las soldaduras. Tiene la doble ventaja de prevenir la corrosión del cobre y de evitar puentes en el proceso de montaje. La máscara antisoldante se coloca sobre las capas superior e inferior del PCB, lógicamente no se impregna en las capas internas.

SERIGRAFÍA (SILKSCREEN)

Muchas veces es útil indicar sobre la placa la ubicación de los componentes o bien colocar información como el nombre de la placa, el fabricante, un código de barras o un logotipo. Esto se hace con una tinta, tradicionalmente de color blanco, que se adhiere sobre la superficie del PCB y no es conductiva. Lo ideal es elegir un color que contraste bien con la máscara antisoldante. Como diseñadores tenemos la posibilidad de colocar información sobre las capas superior e inferir utilizando la capa silkscreen dentro del Altium.

MCE Starter KIT Student LAB de mcelectronics Este es un ejemplo de PCB doble capa con mascara antisoldante y serigraf铆a. Como dijimos es posible colocar informaci贸n de los componentes, cambios de estado (ver pulsador de reset y PWM) e informaci贸n comercial como nombre y modelo de la placa.

VIAS

Las distintas capas de un PCB se conectan entre sí utilizando pequeños agujeros metalizados denominados vias. El diámetro de estas vias suele ser mucho menor que los agujeros metalizados pasantes utilizados para montar los componentes. Como los núcleos de los PCB multilayer son fabricados en forma independiente y luego laminados con el prepreg es posible crear vias internas que no son visibles desde las capas exteriores del PCB. Esto es fundamental para aumentar la integración ya que podemos utilizar el espacio de las capas exteriores donde antes había una via para rutear nuestro diseño. Blind vias (vias ciegas): Son las vias que solo aparecen en un lado del PCB. Buried vias (vias enterradas): Son las vias internas que no se ven en las capas superficiales del PCB.

Como diseñadores podemos utilizar ambos tipos de vias dentro de Altium, pero debemos tener en cuenta que las buried vias son mucho más costosas y no todos los fabricantes pueden hacerlas. Además hay que considerar ciertos factores inherentes al proceso de fabricación que determinan la factibilidad o no de un diseño. A continuación veremos los inconvenientes de fabricación que se pueden presentar al utilizar buried vias.

En este caso tenemos un PCB de 6 capas y la distribución propuesta de las vias.

Este diseño no se puede fabricar ya que es imposible perforar y metalizar un agujero que solo atraviese una capa de prepreg. Esto se da en la 3° y 5° via. Para evitar esto debemos perforar la capa del núcleo adyacente. Veremos cómo hacerlo en el siguiente esquema.

En el esquema se muestra la perforación de la capa de núcleo adyacente en cada caso. Si bien esta configuración es plausible de ser fabricada, es costosa y no todos los proveedores pueden hacerlo. Una alternativa más económica consiste en realizar el perforado desde la capa superior.

Perforación del prepreg desde la capa superior. Si bien este método requiere control de profundidad en la perforación por parte del fabricante es mucha más económico.

Por último presentamos el proceso más sencillo de fabricación de las vias sobre el prepreg. Consiste en la realización de vias pasantes sobre todo el stack. Desde luego es el proceso menos eficiente porque no tenemos la posibilidad de rutear sobre la via en las capas perforadas.

Vias pasantes. Sin embargo por una cuestión de costos y tiempos de fabricación muchas veces se considera esta opción al momento de diseñar un PCB multilayer.

EJERCICIOS PROPUESTOS Transferencia del diseĂąo del esquemĂĄtico al PCB. Layer Stack Manager. Reglas de Ruteo. Posicionamiento de componentes y ruteo. Panelizado. Ruteo avanzado (pares diferenciales y control de impedancia).

PANELIZADO

Ahora que tenemos nuestro PCB ruteado, vamos a aprender de que manera unir varias placas en un único panel de PCB. Panelizar nuestras placas proporciona ventajas significativas: se puede hacer un montaje industrial, se reducen los costos y disminuyen los tiempos de producción.

Panelizado de 4 placas. Nótese que los diseños están invertidos, cualquier combinación es posible dentro del panel.

Generalmente los tamaños de los paneles son standard, consulte con su proveedor para aprovechar el área al máximo. Hay una web muy interesante que nos permite determinar el % de aprovechamiento del panel, según su tamaño, las dimensiones de la placa y la márgenes requeridos. http://circuitpeople.com/Blog/PanelsInPcbManufacturing.aspx

Aprovechamiento del panel según la cantidad de placas y los márgenes de separación. Es importante dejar márgenes de guarda entre las placas como así también en los bordes del panel. A los márgenes entre las placas generalmente se les hace una especie de doble biselado (v-scoring) para poder separarlas más fácilmente. Dependiendo del método de montaje puede ser necesario agregar PADs fiduciarios que indiquen el origen de coordenadas a las máquinas pick and place. Veremos, a continuación de que manera resolver esto en Altium Designer.

Una vez que tenemos nuestro PCB completo y totalmente ruteado, estamos en condiciones de generar el panel.

Vista en 2D de una placa demo totalmente ruteada. (PCB4.PcbDoc) Para realizar el panel de esta placa demo, vamos a hacer lo siguiente: 1-Creamos una nuevo archivo PCB y lo agregamos al proyecto actual. En este caso lo vamos a llamar PCB5.PcbDoc. 2-Hacemos doble click sobre este nuevo archivo y seleccionamos Embedded Board Array desde el menĂş Place. 3-Teniendo en cuenta las dimensiones de la placa que se muestran en la figura anterior, debemos setear los mĂĄrgenes de seguridad y la cantidad de placas que va a tener el panel.

Embedded Board Array En este caso estamos fabricando un panel de 16 placas (4x4). En la propiedad PCB Document se debe seleccionar el PCB original a partir del cual se va a panelizar. En este caso: PCB4.PcbDoc. Ahora hacemos clic en OK y veamos cual es el resultado.

Panel de 16 placas visto en 3D Efectivamente logramos un panel de 16 placas, ocurre que esta placas aun están unidas, con lo que debemos delimitar el área de scoring o separación entre las mismas para poder, una vez fabricadas, separar las placas individualmente. Para ello, debemos agregar líneas de separación en la capa mecánica. Vamos a Place -> Line (siempre dentro de la capa mecánica) y delimitamos el contorno de las placas como se muestra en la figura siguiente. En este caso el ancho de la línea es de 50 mils.

Delimitando el contorno de las placas. Debemos indicar que esas líneas dibujadas sobre la capa mecánica son líneas de scoring o Route. Para esto vamos Board Options y seleccionamos Route Tool Path: Mechanical 1 como se muestra a continuación.

Board options. Recordar setear apropiadamente el ancho de las líneas, ya que va a ser, luego, la separación mecánica entre las placas.

Vista 3D del panel. Finalmente podemos renderizar y obtener la vista 3D del panel terminado. La información de route o scoring se envía al fabricante junto con los archivos gerber que veremos en el último capítulo.

RUTEO AVANZADO - RUTEO DE PARES DIFERENCIALES

Como diseñadores, podemos encontrarnos frente a la necesidad de rutear pistas como pares diferenciales. Estas pistas ruteadas en forma paralela permiten eliminar el ruido en modo común y además reducen la interferencia electromagnética (EMI) producida por el par de pistas. Cabe destacar que una de las señales lleva la señal (+) y la otra lleva una imagen igual y opuesta (-). El propósito de este ejercicio es explorar las opciones que ofrece Altium Designer para el ruteo de pares diferenciales.

1-Definición en el esquemático En primer lugar debemos indicar en el esquemático que nets van a formar parte de un par diferencial. Para esto seleccione Place > Directive > Diferential Pair y coloque los iconos correspondientes sobre las nets.

Vista del esquemático con los símbolos diferenciales

2-Configuraci贸n del par diferencial En el PCB debemos definir las asociaciones correspondientes para lograr el par diferencial. Para esto abra el panel de PCB, seleccione la opci贸n Differential Pairs Editor y luego haga clic en Add.

Panel de PCB

3-Creando la asociación Debemos vincular ambas nets mediante un par diferencial, en este caso LCD_RS y LCD_RS# van a formar parte del par diferencial LCD_Reset.

Vinculando las nets con un par diferencial

4-Una vez hecho esto estamos en condiciones de iniciar el ruteo. Seleccione la herramienta Interactive Differential Pair Routing desde el menú Place para iniciar el ruteo. Simplemente seleccione uno de los PADs de inicio y automáticamente estará ruteando ambas pistas como un par diferencial.

5-Para finalizar el ruteo detĂŠngase sobre unos de los PADs de destino y se finalizarĂĄn ambas pistas.

Ruteo interactivo de pares diferenciales.

Muchas veces debemos adaptar la longitud del par diferencial. Es por eso que vamos a mencionar una herramienta interesante que permite sintonizar la longitud de una pista. Si bien es sumamente Ăştil para sintonizar pares diferenciales se puede aplicar a cualquier pista del circuito. Por ejemplo se utiliza para sintonizar la longitud de pistas de alta velocidad donde necesitamos que todas lleguen al mismo tiempo.

6-Puede acceder a esta herramienta desde el men煤 Tools > Interactive Length Tuning (para psitas) o bien Tools > Interactive Differential Pair Length Tuning (para pares diferenciales). Es posible definir la longitud deseada, el tipo de patr贸n y la amplitud del arco de la pista.

Presione TAB para ver las propiedades de la sintonizaci贸n de pistas

7-Finalmente rutee la pista como lo hace habitualmente. En este caso aparecer谩 un indicador con la longitud actual de la pista y lo que falta para alcanzar la longitud deseada.

Ruteo interactivo con sintonizaci贸n de longitud.

APร NDICE PCBs FLEXIBLES A continuaciรณn vamos a explicar cรณmo estรก compuesto un PCB flexible, su proceso de fabricaciรณn, sus ventajas en la industria y como implementarlo en Altium Designer.

PCB FLEXIBLE Un PCB flexible es un circuito impreso sobre un sustrato aislante flexible. También existe la posibilidad de tener un PCB regid flex, el cual combina un PCB tradicional (rígido) con un PCB flexible. Habitualmente se colocan los componentes en los PCBs rígidos y los tramos flex sirven para interconectarlos. Esta tecnología fui desarrollada inicialmente para el programa espacial porque reducía el tamaño y el peso en los circuitos. Hoy en día los PCBs flexibles están mucho más difundidos y se utilizan no solo porque ahorran espacio y peso, sino porque además permiten reducir la cantidad de cables de interconexión simplificando el montaje de los circuitos.

Imagen de un PCB Rigid-Flex Este tipo de PCBs flexibles se encuentran habitualmente en los cabezales de lectura de los discos rígidos o en las impresoras. de carro.

Debemos hacer una distinción según el uso que se le va a dar al material flexible, por ejemplo, si vamos a utilizar el PCB Flex únicamente para montar nuestro circuito en un gabinete, es decir no va a sufrir flexiones posteriores, se lo llama de grado A o estático. En cambio, si el material va a ser flexionado constantemente, por ejemplo en un cabezal de impresora, se lo llama de grado B o dinámico. Naturalmente la flexibilidad y la durabilidad de un material grado B deben ser mayores.

MATERIALES UTILIZADOS EN EL PROCESO DE FABRICACIÓN

Los PCB flexibles son fabricados como un stack compuesto por material flexible, generalmente una poliamida, y cobre. Ambos materiales se unen mediante un pegamento y luego son expuestos a calor y alta presión para formar el stack.

Unión de la poliamida con el cobre mediante un adhesivo. El adhesivo es generalmente acrílico y, debido a su diferente coeficiente de expansión térmica, es el que introduce los mayores desafíos en el proceso de fabricación.

TIPOS DE PCBs FLEXIBLES Existen diferentes tipos de PCBs flexibles, a continuación vamos a estudiar los más habituales y sus posibles usos.

Tipo 1 - Simple capa: Se utiliza una capa de cobre, que puede estar cubierta de ambos lados por poliamida o bien expuesta en uno de sus lados. Perforaciones para acceder al cobre sin laminar. Puede ser utilizado tanto en diseños estáticos como dinámicos.

En este caso la lámina de cobre está cubierta de ambos lados.

Tipo 2 - Doble capa: Está compuesto por 2 capas de cobre conductoras, aisladas por una capa de poliamida. Además las capas exteriores pueden estar expuestas o cubiertas. Las conexiones entre las capas se realizan mediante vías PTH. Puede ser utilizado tanto en diseños estáticos como dinámicos.

PCB flexible con 2 laminas de cobre, recubiertas con poliamida.

Tipo 3 - Multilayer: Están compuestos por 3 o más capas de material conductivo aislados por poliamidas. Agujeros metalizados proveen las conexiones entre las distintas capas. Puede haber vías ciegas y vías enterradas. Se utiliza generalmente en diseños que requiere PCB flexibles estáticos.

Stack con 4 capas de material conductivo.

Tipo 4 - Multilayer Rigid-Flex: Este tipo de PCB semi flexible se logra agregando capas rígidas a una sección del material flexible. Está compuesto por 3 o más capas de material conductor. Los agujeros metalizados atraviesan tanto el material flexible como el rígido. A las capas externas se les coloca máscara antisoldante para facilitar el montaje y aumentar la duración del cobre.

PCB semi flexible con 4 capas de material conductor.

COMO IMPLEMENTARLO EN ALTIUM Los diseños rigid-flex no tienen el mismo stack de capas a lo largo de todo el circuito con lo que se hacen necesarios stack adicionales. Por ejemplo, la parte rígida del PCB va a tener un stack de capas diferente al de la parte flexible.

El nuevo Layer Stack Manager soporta stack adicionales.

Ahora tenemos la posibilidad de crear un stack principal y sub stacks para los diseños rigid flex. Debemos, además determinar la región del PCB que va a ser rígida y la que va a ser flexible. Para esto Altium incorpora las líneas de separación o split lines, veamos cómo utilizarlas.

SPLIT LINES Es importante definir la región de la placa. Como sabemos esta región puede ser un polígono de cualquier forma, incluso con agujeros internos o cutouts. En esta región vamos a poder colocar los componentes y realizar el ruteo de las pistas. Esta región, que incluye el diseño rígido y flexible se define desde Design -> Board Shape. Ahora bien, debemos especificar que parte de esta región va a ser un PCB rígido y que parte uno flexible. Es aquí donde necesitamos introducir el concepto de split lines o líneas separadoras. Estas split lines dividen las diferentes regiones del PCB. Veamos cómo crearlas.

Las líneas punteadas son "split lines", que en este caso, dividen el PCB en 3 secciones.

¿ CÓMO COLOCAMOS UNA SPLIT LINE ? 1 - Seleccione View -> Board Planning Mode 2 - Seleccione Design -> Define Split Lane 3 - Dibuje la línea de separación sobre el PCB, para salir presione ESC. Ahora debemos asignar un substack a esta nueva región: Para esto, hacemos doble click sobre la región que acabamos de crear y luego seleccionamos el stack correspondiente en la opción Layer Stack.

Las 2 líneas centrales dividen al PCB en 3 regiones diferentes. La región central está conectada a un substack flexible.

BENDING LINES Para finalizar podemos colocar Bending lines que nos permiten doblar el PCB y visualizarlo en 3D. Nuevamente en View -> Board Planning Mode, seleccionamos Design -> Define Bending Line. Colocamos la línea de quiebre donde sea requerido por el diseño y podemos, además, configurar ciertos parámetros, como el ángulo de movimiento y la flexibilidad.

Es recomendable tomar mediciones antes de colocar las bending lines.

Bending lines diagonales.

PARร METROS: Los parรกmetros que podemos modificar de una bending line son: El รกngulo que puede doblarse la superficie (a). El radio desde la superficie (r). La longitud de la superficie afectada (w).

Parรกmetros de una Bending line.

RENDER 3D Una vez seteados estos parámetros, podemos visualizar la placa en 3D y tendremos una buena idea del diseño final.

Render 3D de un PCB con 2 secciones rígidas y una zona flexible. Siempre es importante chequear la capacidad de nuestro fabricante antes de encarar un diseño flex o rigid-flex.

Se termin贸 de imprimir en Mayo de 2014 en Rolta, (4865-7337), Ecuador 334, Buenos Aires. www.rolta.com.ar