Diseño y fabricación de circuitos con Altium Designer by mcelectronics

Airoldi, Alejandro Aníbal Diseño y fabricación de circuitos impresos con Altium Designer. - 1a ed. - Buenos Aires : mcelectronics, 2013. . 320 p. ; 25x20 cm. ISBN 978-987-26021-4-7 1. Informática. 2. Software. I. Título CDD 005.3

Fecha de catalogación: Mayo de 2013 © 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.

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DISEÑO Y FABRICACIÓN DE CIRCUITOS IMPRESOS CON ALTIUM DESIGNER

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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. 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 simbolo y el footprint de un XTAL. 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. REPORTES Y GENERACION 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.

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SIMULACIÓN DE CIRCUITOS

Vamos a simular el funcionamiento de un rectificador de onda completa utilizando las herramientas del editor de esquemático.

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 Es 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 simulación, 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 un 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 ejmeplo se analiza el circuito de 0 a 50 ms con un intervalo de muestra de 200us.

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

Opciones de configuración de AC Small Signal Analysis Se define la frecuencia inicial, la final y la cantidad de puntos de análisis antes de correr la simulación.

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 FRECUNCIA Con el AC Small Signal Analysis puede ver cómo responde el filtro a diferentes frecuencias.

AC Small Signal Analysis La 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.

Diagrama del log. de la ganancia en función del log. de la frecuencia para Vout.

Diagrama del log. de la fase en función 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 simulación.

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.

CREACIÓN DE UNA LIBRERÍA COMPLETA

Mediante una serie de ejercicios aprenda a crear el símbolo y el footprint de un XTAL para poder utilizarlo en sus esquemáticos. 23

CREAR EL SÍMBOLO DE UN CRISTAL Usted aprenderá los pasos necesarios para crear un símbolo esquemático, en este ejercicio, definirá el gráfico y atributos de un cristal. Todos los esquemas están basados en símbolos esquemáticos. La forma de los símbolos esquemáticos no está estrictamente definida. Sin embargo, se sugiere que la forma tenga alguna relación con el componente con el propósito de identificar visualmente. De todas formas, la forma física final sobre el PCB es determinada por la pisada o footprint. Sin embargo recuerde que la definición los pines en el símbolo esquemático deben coincidir con los pads disponibles en la pisada (Model Pin Mapping), de lo contrario se encontrarán errores cuando se intente diseñar el PCB a través del proceso de ECO. Crear Símbolo esquemático Cree los gráficos y los atributos para definir el símbolo del esquemático de un cristal. Crear símbolo esquemático para Crystal 1. Crear carpetas jerárquicas, como se muestra en el siguiente directorio. C:\Users\Public\Documents\Altium\AD\Training\TrainingVaults\Components\Crystals\ Models\SCH Symbols; 2. Acceda al comando File » New » Library » Schematic Library para crear un nuevo esquema en la biblioteca. 3. Acceda al comando View » Grids » Set Snap Grid establecer Grid como 1 (la unidad es mil). 4. Abra el SCH Library panel. Si no puede encontrar el SCH Library panel, haga clic en la ficha SCH en la parte inferior derecha del software y seleccione SCH Library en el menú desplegable que se abre o acceda al comando View » WorkspacePanels » SCH » SCH Library.

5. Acceder al comando Place » Line. Presione TAB para abrir el cuadro de diálogo Propiedades. Configure los ajustes para que coincida con la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. a continuación, haga clic en OK para cerrar el cuadro de diálogo y continuar con la colocación de la línea.

Ventana de edición PolyLine

Símbolo esquemático del Crystal

6. En el centro de la vista del editor, haga clic izquierdo para comenzar la colocación de la línea y dibujar un rectángulo con una longitud de 14 unidades y el ancho de 6 unidades. 7. Utilizando los mismos valores de la línea, dibujar dos líneas con una longitud de 8 unidades en ambos lados del rectángulo. La distancia es de 2 unidades. Consulte la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.para ayuda visual si es necesario. 8. Los pines se colocarán a continuación. Acceda al comando Place » Pin. Presione TAB para abrir el cuadro de diálogo Propiedades del Pin. Con la excepción del Unique ID, establezca la configuración para que coincida con la figura. Este será el Pin 1. Póngalo en el centro de la línea de la derecha. Consulte la figura siguiente para ver los detalles.

Propiedades del Pin 1

Propiedades del Pin2

9. Coloque el Pin 2 utilizando el mismo método. Con la excepción del campo Unique ID, establezca la configuración para que coincida con la figura anterior. 10. Ya se han creado los gráficos del símbolo esquemático. A continuación vamos a establecer las propiedades predeterminadas del símbolo. En el panel SCH Library haga doble clic en el componente en el área de componentes para abrir el cuadro de diálogo

de Library ComponentProperties. Escriba Y? en Default Designator, 25 MHz en el campo Default Comment, montaje en superficie de cristal en el campo Description, CRYS en el campo Symbol Reference y verificar que el control Type está seleccionado como estándar. Consulte la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.para una referencia visual. 11. Haga clic en OK para cerrar el cuadro de diálogo Library Component Properties.

Propiedades de la Biblioteca del componente 12. Guardar la biblioteca en la carpeta creada anteriormente: C:\Users\Public\Documents\Altium\AD\Training\TrainingVaults\Components\Crystals\ Models\SCH Symbols y denomínela CRYS.SchLib

FOOTPRINT DEL CRISTAL Usted aprenderá los pasos necesarios para crear una pisada de PCB, en este ejercicio, definir los gráficos y atributos de una pisada de cristal. Un gran número de componentes PCB están incluidos dentro de las bibliotecas múltiples integradas o bibliotecas discretas del Altium Vault de manera online. A pesar de que es una rica fuente de pisadas hechas disponibles, habrá momentos en que se necesite un diseñador para crear Huellas PCB. Crear Biblioteca PCB Crear serigrafía y pines para definir las características físicas de la pisada de PCB para un cristal. Crear Pisada de Cristal 1. Crear carpetas jerarquizadas como se muestra en el siguiente directorio: C:\Users\Public\Documents\Altium\AD\Training\Training Vaults\Components\Crystals\Models\PCB Components 2. Acceder al comando File » New » Library » PCB Library para crear una biblioteca de PCB.

Vista previa de la pisada del Cristal 3. Acceder al comando View » Grids » Set Snap Grid y setee el Grid como 5mil. 4. Utilice el zoom conPGUP a continuación, busque el origen pulsando Ctrl + End. La pisada debe estar centrada desde el origen. Se sugiere que se centre la pisada en el origen. El origen se considera para ladelimitación general de la forma de la huella en el PCB, por lo que siempre debe estar ubicada cerca de las primitivas utilizadas para crearlo. El origen en el editor de componentes se puede ajustar con el comando Edit » Set Reference 5. Abra el panel PCB Library. Si no puede encontrar el panel PCB Library, cliquee en el PCBtab, haga clic en la parte inferior derecha del software y seleccione PCB Library en el menú desplegable que se abre o acceda al comando View » WorkspacePanels » PCB » PCB Library.

6. Es de importancia vital el punto de contacto eléctrico entre el componente y el PCB, el tamaño y forma del pin. Acceda al comando Place »Pad para colocar Pad 1, utilice PGUP o PGDWN para ajustar el nivel de zoom. Presione TAB para abrir el diálogo de propiedades Pad. Configure los ajustes para que coincidan con la figura y pulse Aceptar para continuar con la colocación. La coordenada X e Y deben estar alineados con el origen. Como Pad 1 está a la izquierda de origen, el valor de X debe ser 170 mil‐. Este valor de la ubicación se puede ajustar después de la colocación, si es necesario. Haga click izquierdo para colocar el Pad 1

Propiedades del Pad 1

7. Después de terminar la colocación Pad 1, Pad 2 será atrapado automáticamente al cursor y conservará los valores que propusimos para Pad 1 si presiona TAB, puede modificarlos. Presione TAB para abrir el cuadro de diálogo de propiedades Pad sólo para verificar los ajustes, y luego presione OK y la ubicación del Pad 2 en X es 170 mil.

Propiedades para el Pad 2

8. Los pines se han colocado con éxito. Ahora usted comenzará a colocar la serigrafía. Haga clic en la ficha Top Overlay en la parte inferior del espacio de trabajo para cambiar la capa actual. Acceder al comando Place » Line. Presione TAB y establezca el ancho de línea como 8 mil en el cuadro de diálogo Line Constraints. Coloque las dos líneas de serigrafía para asemejarse a la figura de referencia. Cuando se crea una huella, debe estar familiarizado con los detalles del tamaño físico del componente que se está definiendo. Estos datos pueden ser obtenidos en una hoja de datos. 9. Con fines de facilitar el proceso de ensamblado, soldado y la depuración, Pad 1 se debe identificar visualmente para muchos componentes. Para diferenciar Pad 1 de otros pines, una marca especial se colocará cerca de Pad 1 en la serigrafía, o se utilizará una forma de pad diferente, para identificar fácilmente Pad 1 en el PCB. Para esta huella vamos a colocar la marca de serigrafía. Asegúrese que Top Overlay es la capa actual y luego acceda al comando Place »Full Circle. Presione TAB para abrir el cuadro de diálogo de propiedades y establezca el Widthen 10mil y pulse OK. Clic izquierdo para iniciar la colocación de la marca cerca de la parte inferior izquierda del pin 1, mueva una unidad de red del punto de colocación para aumentar el radio en un paso rejilla de ajuste (5 mil) y luego a la izquierda Haga clic de nuevo para completar la colocación de este Arco

Propiedades de arco para la marca Pad 1

10. En el panel PCB Library doble clic en el nombre del componente para abrir el cuadro de diálogo PCB Library Component y escriba XTAL_HC49SMD en el campo Name. Guarde la biblioteca de PCB en el directorio C:\Users\Public\Documents\Altium\AD\Training\TrainingVaults\Components\Crystals\ Models\PCB y nómbrelo como XTAL_HC49SMD.PcbLib

ASOCIAR EL MODELO 3D Podemos asociar un modelo 3D a nuestro XTAL. Esto no es meramente una cuestión estética sino que podemos crear reglas de ruteo que permitan verificar que, por ejemplo, la placa quepa dentro de un gabinete, y para esto, naturalmente los componentes deben tener cierto volumen. Si bien Altium Designer permite crear estructuras 3D a partir de polígonos y sirven perfectamente para tener una idea del volumen de la placa, vamos a explicar también el procedimiento necesario para importar los modelos 3D desde una página web. Esto nos va a permitir lograr mayor definición gráfica.

CREAR UN MODELO 3D CON POLIGONOS Vamos a darle volumen al XTAL del ejercicio anterior. Para esto, debe posicionarse sobre el footprint y seleccionar Place > 3D Body. En 3D Model Type seleccione Extruded como muestra la siguiente figura. Debe configurar la altura del diseño, en este caso fue seteada en 120 mils, es decir la altura del XTAL será de aproximadamente 3 mm. Nótese que también es posible cambiar el color y la opacidad del volumen desde esta ventana.

3D Body Extruded con poligonos Haga click en OK, para comenzar a dibujar el polígono sobre el footprint del XTAL. Debe ser dibujado sobre la capa mecánica siguiendo el contorno del XTAL. Para ver el modelo generado presione 3 como se muestra en la siguiente captura.

3D Body con poligonos renderizado Si bien el resultado es graficamente muy pobre, resulta muy util para determinar la viabilidad o no de un gabinete u otro contenedor de nuestro PCB. A contunuación haremos algo similar, pero esta vez importando el componente 3D desde 3dcontentcentral.com un sitio web con modelos de varios fabricnates.

IMPORTAR UN MODELO 3D Podemos crear modelos .STEP con SolidWorks o 3D Studio e importarlos dentro de nuestro diseño. En este caso vamos descargar el modelo del XTAL desde 3dcontentcentral.com (requiere suscripción gratuita).

Dentro de 3dcontentcentral.com, escriba XTAL en el campo de busqueda, aparecerán resultados similares a los que se muestran a continuación:

Pagina 3dcontentcentral.com con diferentes modelos de XTAL. Vamos a seleccionar el primer XTAL y descargarlo como .STEP (el formato que acepta Altium Designer). Tenga en cuenta que el modelo 3D no puede editarse dentro de Altium, para editar o crear un modelo 3D necesita software especifico como SolidWorks.

Dentro de Altium, vaya al menu: Place > 3D Body. En 3D Model Type seleccione Generic Step model como muestra la siguiente figura.

Opciones para importar un modelo 3D Seleccione el archivo .STEP descargado con la opción Embed STEP Model. Puede rotar el modelo en X, Y, Z para que quede correctamente posicionado sobre el footprint. También es posible modificar la opacidad de la transparencia y así facilitar su posicionamiento. Veamos a continuación el resultado, presionando la tecla 3 para pasar a la vista 3D.

Modelo 3D importado y renderizado con Altium Desde luego también es posible crear reglas de ruteo para modelos 3D importados y así verificar la integridad del diseño.

LIBRERÍA INTEGRADA Podemos crean una librería integrada, asociando el símbolo, el footprint y eventualmente el modelo 3D de nuestro crystal. Esto generará un único archivo compilado mucho más fácil de transportar. La extensión es del tipo *.IntLib.

Creando una librería integrada. Para asociar nuestro footprint al símbolo del xtal vamos a Crear una Integrated Library: File » New » Project » Integrated Library

Agregamos el archivo del símbolo (CRYS.SchLib), mediante Add New To Proyect y el footprint (XTAL_HC49SMD.PcbLib). Luego, desde el editor de símbolo asociamos el footprint con Add > Footprint. Una vez hecho este debe verificar que los pines del símbolo coincidan con los pines del footprint para asegurar la integridad del diseño y evitar errores al momento de compilar el proyecto. Estamos en condiciones de compilar la librería para verificar que no haya errores y poder usarla en futuros diseños: Project > Compile Integrated Library

Panel de librerías Naturalmente esto generará un archivo del tipo .IntLib que luego podemos visualizar en el panel de librerías.

CREACIÓN AUTOMÁTICA DE FOOTPRINTS Se puede utilizar el IPC footprint Wizard para asistir en la edición de partes. Este asistente es sumamente útil para crear footprints a partir de las dimensiones de los componentes. Todas las cotas de referencia son normalizados y tienen los mismos indicadores que aparecen en los datasheets, con lo que el proceso es sumamente simple.

Ventana del asistente IPC Para ejecutar el asistente IPC vaya a Tools > IPC Compliant Footprint wizard. Este asistente tiene algunas opciones avanzadas como la posibilidad de agregar un pad térmico debajo de los integrados, o modificar automáticamente el tamaño de los pads de soldadura dependiendo de la densidad de componentes.

Opciones de configuración para un integrado DPACK Una vez finalizado el footprint puede crearse una nueva librería o bien importarlo en una ya existente.

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. 49

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 distribución elegida de las capas de alimentación y las capas de señal es a efectos ilustrativos y no influye en el proceso de fabricación.

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 serigrafía. Como dijimos es posible colocar información de los componentes, cambios de estado (ver pulsador de reset y PWM) e información 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.

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

NOTAS:

Se terminó de imprimir en Septiembre de 2013 en Rolta, (4865‐7337), Ecuador 334, Buenos Aires. www.rolta.com.ar