temario estado del arte, ¿cuál...

Seminario Sistemas Embebido 2010 - IDCI - Cruz

Ing. Juan Manuel Cruz 1

Introducción al Diseño de

Universidad Tecnológica Nacional

Facultad Regional Buenos Aires

Ingeniería Electrónica

Introducción al Diseño de Circuitos Impresos

Ing. Juan Manuel Cruz ([email protected])Profesor Asociado Ordinario

Asignatura Electiva (Código: 95-0486)Ingeniería en Electrónica - UTN – FRBA

(Grupo Yahoo: [email protected])Buenos Aires, 4 de Septiembre de 2009

Introducción al Diseño deCircuitos Impresos

Introducción al Diseño de Circuitos Impresos -Ficha.doc

Tecnologías de armado de módulos electrónicos (Roberto Hayes, Editorial Dunken)

4 de Setiembre 2009 Ing. Juan Manuel Cruz 2

Temario

IntroducciónIntroducciónEstado del arteProblemática generalCriterios de diseñoC tí i d t di

4 de Setiembre 2009 Ing. Juan Manuel Cruz

Casos típicos de estudioUn ejemplo de aplicación

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Estado del Arte, ¿cuál es?

Lineamientos a seguir:Lineamientos a seguir:

KISS “Keep It Simple, Stupid”

DFE “Design for Excellence”


g

Documentarse antes de comenzar el diseño

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KISS, ¿qué significa?KISS es un acronismo en inglés que significa:g q g

“Keep It Simple, Stupid” (Mantenlo simple, estúpido)

Una acepción menos chocante es:

“Keep It Short and Simple” (Mantenlo corto y simple)

Comenzó a usarse en EEUU en los años 60 (en relación con el


Comenzó a usarse en EEUU en los años 60 (en relación con el proyecto Apollo)

Deriva del “Principio de Economía” de William of Ockham (siglo XIV DC) y variantes formuladas por Leonardo da Vinci, Isaac Newton, Albert Einstein y otros.

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KISS, ¿qué se procura?Afirma que la simplicidad es la clave del éxito de unAfirma que la simplicidad es la clave del éxito de un diseño en ingeniería

En el desarrollo de sistemas complejos en ingeniería debemos:

Desarrollar empleando partes sencillas, comprensibles que redundará en errores de fácil detección y corrección.


Rechazar lo rebuscado e innecesario

En otras palabras advierte al diseñador para que en su labor no “compre” problemas sino que “venda” soluciones

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DFE, ¿qué significa?DFE “Design For Excellence”:DFE Design For Excellence :

Manufacture and AssemblyReliabilityTesting and ServiceDisassembly and ReassemblyUse and OperabilityGreen Environment and Recycling


Green, Environment and RecyclingQuality and CostLogisticInspection and InternationalEtc., etc.

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DFE, ¿qué se procura?Diseñar para la excelencia no implica laDiseñar para la excelencia no implica la implementación de todos y cada uno de los ítems listados, ya que que cualquier actividad de diseño estará fuertemente condicionado por dos factores:

La idiosincrasia tanto del diseñador como del medio en que éste se desempeña


medio en que éste se desempeña

El contexto en que se lleve a cabo el diseño propiamente dicho

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Documentarse antes de …, ¿qué significa?

Seguramente Ud. no es el primero que intentaSeguramente Ud. no es el primero que intenta resolver el problema que enfrenta, por tal motivo es recomendable que recopile toda documentación referida al diseño que está por encarar, a las técnicas y/o herramientas que pueden serle útiles para el diseño, etc., etc.; como por ejemplo:

Hojas de Datos (Fe de Erratas)Notas de Aplicación


Notas de AplicaciónEjercicios o Ejemplos de DiseñoManuales de UsuarioManuales de Referencia TécnicaEtc., etc.

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Documentarse antes de …, ¿qué se procura?

Aproveche las facilidades que ofrecen las vías de comunicación p qactuales para la búsqueda de información

Procure encarar la búsqueda con sentido común y criterio

Recuerde que la búsqueda en si misma es un medio y no un fin

Lea, analice y clasifique toda la documentación recopilada


Durante la etapa de diseño saque provecho de la información recopilada “aprendiendo del trabajo de los demás”

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Problemática GeneralDebemos detenernos a analizar lo siguiente:Debemos detenernos a analizar lo siguiente:

Metodología de trabajoDiseño electrónico Analógico y/o DigitalDibujo del ImpresoComponentes

d


ProductoFabricación del circuito impresoFabricación del ProductoEtc., etc.

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Metodología de Trabajo

Optamos por el más usado simple y seguroOptamos por el más usado, simple y seguro

Recomendaciones:

Procure aprender del métodoP d t l t


Procure adaptarlo a su gustoSi no esta conforme con el método:

Genere su propio método, pero use uno, pues:Sin método cada diseño nos obliga a comenzar de cero

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¿En qué consiste el método?

Mediante una herramienta de CAD procedaMediante una herramienta de CAD proceda paso a paso con:

Dibujo del Esquemática Eléctrico

Dibujo del Circuito Impreso


Dibujo del Circuito Impreso

Vinculación entre ambos a fin de permitir cambios durante el diseño a partir de cualquiera de los dos

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Dibujo del Esquema EléctricoEsquema Eléctrico o SCH “Schematic”q

Adecuar cada componente al que usará realmente:

Extraer un componente similar de las bibliotecas de su CADCopiarlo en una biblioteca o “Library” creada especialmente para este diseño particularModificarlo hasta cumplir 100% con su hoja de datosAl modificarlo respetar las ER o “Electrical Rules”


Aplicar el ERC o “Electrical Rules Check” a medida que se avanza en el dibujo y ver que el dibujo lo pasa OK

Generar la lista de conexiones eléctricas o “Netlist”

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Dibujo del Circuito ImpresoCircuito Impreso o PCB “Printed Circuit Board”p

Adecuar cada componente al que usará realmente:

Extraer un componente similar de las bibliotecas de su CADCópielo en una biblioteca o “Library” creada especialmente paraeste diseño particularModifíquelo hasta cumplir 100% con su hoja de datosAl modificarlo respete las DR “Design Rules”


Comience por las cotas mecánicas y puntos de sujeción

Aplique el DRC “Design Rules Check” a medida que avanza en el dibujo y vea que su dibujo lo pasa

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Vinculación SCH PCBVincular los dibujos del Esquema Eléctrico y CircuitoVincular los dibujos del Esquema Eléctrico y Circuito Impreso nos permitirá efectuar cambios durante el diseño (incluso a partir de cualquiera de ellos)

Recordar que los cambios pueden producirse durante la etapa de diseño o a posteriori a causa de revisión


Esta metodología de trabajo asegura la portabilidad del diseño permitiendo el posterior aprovechamiento parcial o total del mismo

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Diseño ElectrónicoAnalógico y/o Digital

Los factores que intervienen son:Los factores que intervienen son:

TensionesCorrientesPotenciaRango de Frecuencia


Rango de FrecuenciaEMC “ElectroMagnetic Compatibility”EMI “ElectroMagnetic Interference” oRI “RadioFrequency Interference”

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¿Qué condicionan estos factores?Material y Cantidad de Capas “layers” del impresoy p y p

Ancho, longitud de las trazas y Geometría del trazado

Distancia mínima entre áreas conductoras y Calado del PCB

Disposición de componentes “Layout”

Uso de recubrimientos aislantes y/o conductores especiales


Uso de recubrimientos aislantes y/o conductores especiales

Uso de componentes especiales

Blindaje y Puesta a Tierra

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EMC, “ElectroMagnetic Compatibility”

Reducir la generación de ruido (radiado y conducido)Reducir la generación de ruido (radiado y conducido)

Es recomendable atender los siguientes factores:

Frecuencia máxima del sistemaOptar por la menor frecuencia de trabajo posibleAdaptar la tecnología a las limitaciones del sistema


Lazos magnéticosReducir su superficieMantener las trazas de señal lo más cercanas a trazas de tierraReducir los lazos de oscilador y cristal

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Campos MagnéticosCa pos ag ét cosOponer lazos magnéticosElegir encapsulados con pines de alimentación y tierra lo más próximos posible y con varios pines de alimentación y tierra ubicados en lados opuestos del encapsulado

Inductancias ParásitasIncrementar el ancho de las trazasUsar planos de alimentación y tierra


Usar planos de alimentación y tierraAdaptar las capacidades de desacople a la frecuencia de operaciónAcortar la longitud de las trazas de conexión a los capacitoresOptar por los encapsulados más pequeños

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ESR “Equivalent Serie Resistance”ESR Equivalent Serie ResistanceColocar capacitores en paralelo para reducir la ESRElegir capacitores con dieléctrico de bajo ESR y buena estabilidad térmica

Fuente de alimentaciónSeparar la tierra de la fuente de alimentación de la tierra de los dispositivos que la carganProveer de un vínculo de conexión concentrado entre ambos


Proveer de un vínculo de conexión concentrado entre ambos

Blindajes y puesta a tierra

Componentes especiales

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Dibujo del ImpresoUtilizar Grillas para:Utilizar Grillas para:

Posicionar componentesPosicionar trazas, pads y vías

Dimensionar adecuadamente:TrazasPads y vías (perforaciones con dimensión de perforado final acotando la variedad de perforado)T t ( l ió lt / h d l t )


Textos (relación altura/ancho de la traza)

Respetar Separación Mínima:Entre trazas, pads y víasEntre componentes

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Dibujo del ImpresoComenzar por el contorno de placa y calados:Comenzar por el contorno de placa y calados:

Dejar una banda sin cobre en los bordes de la placa

Dividir el dibujo en bloques funcionales o áreas de trabajo:

Resolver un bloque a la vezIdentificar las conexiones críticas y comenzar por ellas


Terminado un bloque reubicarloTerminados todos los bloques interconectarlosTerminada la interconexión realizar una Revisión General

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Dibujo del ImpresoTrazasTrazas

Deben ser lo más cortas posible Pasar por (o partir desde) el centro del pad o víaTener quiebres a 90º (facilita el trazado) o 45º (minimiza el área de dibujo)

Sugerencia: comenzar a 90º y pasar a 45ºNo usarlas para rellenar áreas de cobre

U l t d l h d d “Fill” / “P li ”


Usar la traza del ancho adecuado o “Fill” / “Poligon”Usar varias vías de paso en trazas de alto consumo que pasan de capa “layer”Refuerce las T´s con V´s

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Dibujo del ImpresoNo dejar áreas de cobre sin conectar ni colocar vías debajo de j jun componente

Mantener la simetría en la distribución de componentes y en el trazado

Aprovechar los pads para interconectar capas “layers”

Prever puntos de prueba “Test points”


Aplicar el DRC “Design Rules Check” a medida que se avanza en el dibujo y modificarlo hasta ver que lo pase

Tratar que alguien revise el trabajo

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Detalles de productoEl desarrollo del producto se basa en algunos de losEl desarrollo del producto se basa en algunos de los ítems enumerados en DFE “Design For Excellence”

Cada desarrollador de producto tiene su propio equipamiento y método de desarrollo que acotan su capacidad de desarrollo


El producto desarrollado dependerá fuertemente del contexto en que se lleve a cabo su desarrollo y posterior producción

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Detalles de Fabricación del PCBCada fabricante de impreso tiene su propio equipamiento y p p p q p ymétodo de fabricación que acotan su capacidad productiva

Los fabricantes de impreso proveen especificaciones mediante boletines de asistencia técnica conteniendo:

Tipos de materiales y sus características eléctricas (conductoras y dieléctricas)Dimensiones mínimas del dibujoPerforados posibles


Perforados posiblesErrores y toleranciasRecubrimientos aislantes y/o conductores especialesDimensiones de placas y panelesFormato de archivo para la transferencia del dibujo

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Detalles de ProducciónCada armador de placas tiene su propio equipamiento y método p p p q p yde fabricación que acotan su capacidad productiva

Los armadores de placas proveen especificaciones mediante boletines de asistencia técnica conteniendo:

Posicionamiento de componentesMontaje de componentesTécnicas de soldaduraDimensiones de placas paneles


Dimensiones de placas y panelesErrores y toleranciasRecubrimientos aislantes y/o conductores especialesFormato de archivo para la transferencia de información

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Casos típicos de estudioLos casos posibles surgen de combinar losLos casos posibles surgen de combinar los siguientes factores:

Material del impreso:FR2FR4

C d l i


Capas del impreso:Simple fazDoble faz (con o sin PTH “Plated Through Hole”)Multicapa

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Características del FR2


Características del FR4


Ancho y resistencia de trazas




Separación entre trazas


Pads


Perforado


Casos típicos de estudioMontaje de los componentes:Montaje de los componentes:

InserciónMontaje superficialMezcla de inserción y montaje superficial (hay al menos 3 variantes)

Proceso de soldadura:


Proceso de soldadura:ManualPor ola “wave soldering”Por horno “reflow soldering”

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Puntas de soldadura


Trough-hole Wave Soldering


SMD Wave Soldering


SMD Reflow Soldering




Casos típicos de estudioProceso de armado:Proceso de armado:

ArtesanalIndustrial (escala de producción)

Para garantizar el éxito de la tarea en cualquiera de los casos posibles será necesario:

P t ti /


Prototipo/sProducción pilotoProducción definitiva

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Un ejemplo de aplicaciónCore de microcontrolador 8 bits para usar como kit de desarrollo ppor alumnos de TDII

“AT89STK-RC2”

ReferenciasHoja de datos de los componentesManual del Kit de evaluación del microcontrolador (kit Atmel)MINI-MAX/51-C2 (kit importado)SD PF-51 (kit nacional)


ImplementaciónFR2, Simple Faz Inserción, Soldadura y armado manual o por olaPrototipo artesanal, Producción de baja escala

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Un ejemplo de aplicaciónGrillas:Grillas:

Componentes, Trazas, pads y vías = 25milsAncho de traza mín = 12milsSeparación del cobre mín = 12milsPerforado mín = 28milsVía estándar = 50/28milsPad diámetro mín= 62/28milsC d b 20 24 il


Corona de cobre = 20 a 24milsTexto (relación altura/ancho de la traza) = 6Texto mín = 48/8milsBorde de placa libre de cobre = 12mils

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MINI-MAX/51-C2(US$ 135 FOB USA + FedEx)




SD PF-51 (US$ 50 Argentina)


CAD


CAD


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