Herramientas para Diseñadores Electrónicos 2015 by mcelectronics

HERRAMIENTAS PARA DISEÑADORES ELECTRÓNICOS®

Prof. Andrés Bruno Saravia Ing. Francisco Cantizano Ing. Cristian Guillermo Val Ing. Alejandro Airoldi

Airoldi, Alejandro Aníbal Herramientas para diseñadores electrónicos. - 1a ed. - Ciudad Autónoma de Buenos Aires: mcelectronics, 2015.

512 p. + DVD ; 23x18 cm. ISBN 978-987-3702-03-7 1. Software. 2. Electrónica. 3. Ingeniería. I. Título CDD 005.3

Fecha de catalogación: Marzo de 2015

© 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: 54Designers.com - Comunicación + Innovación

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SUMARIO SIMULACIÓN CON PROTEUS Aprenda a simular circuitos con microcontroladores PIC® y dsPIC®. Cargue su propio programa y verifique el comportamiento del circuito ante diferentes estímulos.

INTRODUCCIÓN A ALTIUM DESIGNER 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.

169

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.

313

DISEÑO DEL PCB Reglas de ruteo, ruteo interactivo y ruteo avanzado 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.

345

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. Lista de materiales y reportes en PDF.

441

ÍNDICE SIMULACIÓN CON PROTEUS EL SIMULADOR DE CIRCUITOS Y SUS COMANDOS EJEMPLO DE SIMULACIÓN CON PIC® CIRCUITOS ANALÓGICOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

13 15 25 33 36

GUÍA VISUAL ALTIUM DESIGNER 15 INTERFAZ DE USUARIO DISEÑO DE LINEAS DE ALTA VELOCIDAD SOPORTE PARA DISEÑOS FLEX Y RIGID-FLEX LAYER STACK MANAGER SOPORTE PARA COMPONENTES EMBEBIDOS RUTEO DE PARES DIFERENCIALES ASISTENTE PARA IMPORTAR DESDE EAGLE

49 51 52 54 55 57 63 64

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

67 71 73 75 80 88 90 99 101 104 105 112

EJERCICIOS PROPUESTOS PRIMEROS PASOS CREACIÓN DE UN PROYECTO VERSION CONTROL

121 147 155

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

169 173 176 189 191 196 197 209

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

241 265 275 291

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

313 317 324 332 338 340

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

345 349 355 357 361 363 369

EJERCICIOS PROPUESTOS TRANSFERENCIA DEL DISEÑO ANATOMÍA DE UN PCB REGLAS DE DISEÑO DEL PCB

387 391 395

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

411 419 425 431

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

441 445 451 457 461

EJERCICIOS PROPUESTOS REPORTE DE SALIDA

469

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

483 485 487 490

BIBLIOGRAFÍA

497

SIMULACIÓN CON PROTEUS Aprenda a simular circuitos con microcontroladores PIC® y dsPIC®. Cargue su propio programa y verifique el comportamiento del circuito ante diferentes estímulos.

EL SIMULADOR DE CIRCUITOS PROTEUS

Hace unos cuantos años que LABCENTER ELECTRONICS desarrolló una herramienta de simulación de circuitos muy poderosa denominada PROTEUS, la cual tiene dos componentes, el ISIS y el ARES. Con el ISIS es posible crear cualquier sistema electrónico, tanto analógico, como digital y simular su funcionamiento. Con el ARES podemos realizar el diseño de nuestro circuito impreso. Ambas herramientas están conectadas entre sí, lo cual nos permite primero realizar nuestro diseño virtual, ensayarlo virtualmente y posteriormente llamar desde el ISIS al ARES para que este realice el impreso, incluso de forma automática. En ese apartado vamos a aprender a usar el ISIS para simular circuitos con microcontroladores PIC.

INSTALACIÓN DE PROTEUS La herramienta PROTEUS puede descargarse de la WEB de forma gratuita en su formato LITE, la cual es una versión de prueba cuya limitación radica en que no pueden salvarse los circuitos que realizamos. La página de descarga es la siguiente: www.labcenter.com

GUÍA VISUAL ALTIUM DESIGNER 15 Esta nueva versión de Altium incluye un innovador sistema para rutear pistas de alta velocidad manteniendo controlada la integridad de la señal, la longitud y la impedancia.

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 15 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.

DISEÑO DE LINEAS DE ALTA VELOCIDAD

Con el incremento de la velocidad en los sistemas se hace cada vez mas complejo mantener la integridad de la señal y los requerimientos de tiempo específicos. Esta nueva versión de Altium Designer proporciona una herramienta llamada xSignals para facilitar drásticamente esta tarea. Utilice el comando: Design » xSignals » Create xSignals

En esta imagen vemos las pistas TX y RX ruteadas con xSignals.

La integridad de la señal puede ser manejada con un control de impedancia y un manejo adecuando del stack de PCB. Por su parte los tiempos dependerán de la longitud de la pista que debe ser sintonizada correctamente. Habitualmente disponemos de dos métodos para interconectar los componentes que requieren líneas de alta velocidad:

Balanced T: Lo que hacemos es rutear desde el punto de inicio y bifurcar la pista en 2 ramas una hacia cada pin de destino, esto hace que los tiempos se puedan controlar manejando la longitud de cada rama pero debemos tener mucho cuidado con las reflexiones.

Fly-By routing topology: En este caso partimos de un punto y vamos pasando en forma lineal por cada componente como si fuese una cadena. La desventaja de esto es que el tiempo se incrementa a medida que pasamos por los componentes pero a su vez eliminamos las reflexiones tipicas del método anterior.

Vea en detalle ruteo avanzado en el capítulo Diseño del PCB.

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. 29

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 15 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.

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. 41

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.

MASCARA 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.

SERIGRAFIA (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.

MANEJO DE CAPAS EN ALTIUM Veremos c贸mo crear un stack de capas, planos de se帽al y planos de alimentaci贸n, diferentes tipos de vias y como presentar la informaci贸n de manera ordenada.

STACK MANAGER

Altium Designer es un entorno de desarrollo por capas. Existen capas físicas, como las capas de señal, las capas de alimentación, serigrafía y máscara antisoldante y capas de sistema como las DRC que permiten determinar violaciones a las reglas de ruteo. Como vimos anteriormente las placas son fabricadas por separado y luego unidas como un sandwich mediante el prepreg. Como diseñadores tenemos la posibilidad de crear o modificar este stack de capas según las necesidades de nuestro desarrollo. Para esto vamos a utilizar el Layer Stack Manager ubicado en Design -> Layer Stack Manager. Solo se habilita esta opción dentro del archivo del PCB.

Configuración típica para un PCB de 4 capas. Esta pantalla corresponde a Altium Designer 13 o anterior. 54

En este ejemplo se muestra un PCB de 4 capas. La capa superior tiene la máscara antisoldante (Top dielectric). Se está utilizando una configuración típica de 2 núcleos de FR4 con prepreg. Cabe destacar que en la 3° capa hay un plano de alimentación. Para asociar este plano a, por ejemplo GND, simplemente hay que hacer doble clic sobre el plano y asignarle una NET. Los botones Add Plane y Add layer nos permiten agregar planos de alimentación y capas de señal respectivamente. Podemos definir los distintos tipos de vias desde la opción Drill Pairs accesible desde el Layer Stack Manager.

Drill-Pair Manager Es posible configurar vias ciegas, enterradas y multi-layer. Las definiciones que se realicen en el Drill-Pair Manager determinarán las vias que se podrán utilizar en el editor de PCB al rutear la placa.

DEFINICIÓN DE CAPAS

Altium Designer permite trabajar con diferentes tipos de capas para organizar el trabajo, a continuación se describirán las capas físicas disponibles: Capas de señal: Existen 32 capas de señal que pueden ser utilizadas para colocar pistas. Cualquier tipo de objeto que coloquemos en estas capas será plateado como cobre, ya sean pistas, rellenos, texto o polígonos. Las capas de señal se nombran de la siguiente manera: Top Layer MidLayer1 to MidLayer30 Bottom Layer

Capas de alimentación: Hay 16 capas de señal disponibles (InternalPlane 1 a InternalPlane 16). Se pueden asignar Nets a estos plano, por ejemplo GND o VCC. Tambien es posible dividir los planos en varias regiones y asignar Nets diferentes a cada una. Silkscreen Layers Las capas Top Overlay y Bottom Overlay se utilizan para mostrar el outline (contorno) de los componentes , el nombre de los componentes y cualquier información adicional, como ser el nombre de la empresa, un código de barras o un logotipo. Capas mecánicas: Estas capas contienen detalles de fabricación como dimensiones, alineación, anotaciones y otros detalles. Existen 32 capas en total (Mechanical 1 a Mechanical 32). 56

Mascara de soldadura: Estas capas son utilizadas para crear el diseño de la mascara antisoldante. (Top Solder y Bottom Solder). Estas mascaras generalmente cubren por completo las capas superior e inferior a excepción de los pads y las vias.

Mascara para pasta de soldadura: Estas capas (Top Paste y Bottom Paste) se utilizan para fabricar stencils para luego depositar pasta de soldadura sobre la superficie de los pads. El tamaño del depósito de pasta es controlado por reglas de diseño.

Dibujos de perforado: La capa drill drawing se utiliza para crear un dibujo de perforado donde se indica con un caracter (A,B,C, etc) los distintos tipos de perforado.

Guía de perforado: En esta capa se muestran todas las perforaciones del diseño Se conoce habitualmente como Pad Masters. Keep out Layer: Son regiones del PCB donde no pueden ubicarse componentes. Por ejemplo podriamos crear una regla que impida el paso de pistas debajo de un integrado, o bien una regla que no permita vias cerca de un xtal. También es habitual colocar una regla keep out en el borde del PCB.

Vista de las capas. Todas estas capas son visibles desde el editor de PCB. Seleccionando las pestañas podemos colocar objetos en la capa correspondiente. Además es muy útil presionar las teclas SHIFT+S para visualizar de a una capa por vez.

SHIFT+S: en este caso sólo se muestra la capa superior. Esto oculta las otras capas permitiendo un mayor control sobre la capa seleccionada.

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.

NOTAS:

Se termin贸 de imprimir en Junio de 2015 en Rolta, (4865-7337), Ecuador 334, Buenos Aires. www.rolta.com.ar