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Introduccin al Diseo de Circuitos
Impresos
Circuitos Electrnicos II (66.10)
Departamento de Electrnica
Facultad de Ingeniera. Universidad de Buenos AiresIng. Fabin Acquaticci
Proceso de Diseo
Dibujar el diagrama esquemtico o circuito
Generar la lista de conexiones (netlist)
Diagramar el circuito impreso Fabricar las plaquetas
! Existen diferentes procesos de fabricacin, los cuales se deben tener enmente a la hora de realizar los diseos.
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Sistemas para Diseo con PC
www.cadsoft.deCadSoft (EAGLE)
kicad.sourceforge.net/KiCad
www.microcode.comProtel Technology
www.orcad.comOrcad
www.ivex.comIvex Design
www.interactiv.comInteractive Imaging Technologies
www.expresspcb.comExpressPCB
www.acceltech.comAltium
www.advancedmsinc.comAdvanced Microcomputer Systems
Pgina WebFabricante
Circuitos impresos
Los circuitos impresos se puede clasificar segn elnmero de capas en los siguientes tipos:
Circuitos de una sola capa conductora o simple faz
Circuitos de dos capas conductoras o doble faz
Circuitos de cuatro o ms capas conductoras o multicapa
! Los circuitos de una sola capa tienden a desaparecer debido a loscompromisos y dificultades en la realizacin de impresos EMC.
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Circuitos impresos
Composicin de un circuito impreso:
Lado de componentes (top side)
Lado de soldaduras (bottom side)
Islas (pads)
Pistas de cobre (tracks)
Texto e inscripciones
Smbolos de montaje de los componentes
Mscara antisoldante (antisolder masks)
Circuitos impresos
PadsPistas Mscara
antisoldante
Smbolos
de montaje
Inscripciones
Texto
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Diagrama esquemtico
Est compuesto por cuatro
clases de elementos:
Componentes
Smbolos
Conexiones
Anotaciones
Diagramacin de circuitos impresos
Para diagramar un circuito impreso, se debe:
Importar la lista de conexiones (netlist).
Colocar los contenedores para cada uno de loscomponentes.
Asignar a cada contenedor el nombre correspondiente alcomponente que identifica en el esquema.
Recorrer la lista de conexiones e ir trazando las pistas paraunir todos los pads indicados.
Reorganizar las pistas para que no se entrecrucen.
Optimizar las conexiones y el tamao.
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Diagramacin de circuitos impresos(Editor de Layout)
Diagramacin de circuitos impresos(Ubicacin de los componentes)
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Diagramacin de circuitos impresos(Ruteo manual. La diagramacin se hace a medida de los requerimientos de diseo)
Diagramacin de circuitos impresos(Autoruteo. No se logra optimizar las conexiones y la organizacin de las pistas de acuerdo con los requerimientos )
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Diagramacin de circuitos impresos
Diagramacin de circuitos impresos
AMPLIFICADOR DE AUDIODE DE 25 WATTS
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Diagramacin de circuitos impresos
Las mltiples Capas:
Cada capa agrupa un conjunto de elementos que tienen algo en comn.
Serigrafa (silkscreen): Incluye los smbolos de montaje de los componentes,textos e inscripciones. Se imprime del lado de componentes
Cobre inferior (bottom copper): Incluye los pads y las pistas de cobre del ladoinferior (lado de soldaduras) de la plaqueta.
Cobre superior (top copper): Incluye los pads y las pistas del lado superior(lado de componentes de la plaqueta).
Diagramacin de circuitos impresos
En la aplicacin cada capa aparece como un color diferente, para que sepuedan diferenciar. En base a estas capas, la aplicacin genera otras dos enforma automtica:
Mscara inferior (bottom solder mask): Cubre todos los pads del lado inferior(lado de soldaduras) de la plaqueta, indicando que esas zonas son las que no sedeben cubrir con la laca protectora de la mscara antisoldante (antisoldermask). Pues, estas son las partes en donde se deben realizar las soldaduras.
Mscara superior (top solder mask): Idem anterior, pero para los pads dellado superior (lado de componentes) de la plaqueta.
! Durante la diagramacin, la vista de las diferentes capas es desde ellado superior.
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Diagramacin de circuitos impresos
40016.0502.0
25010.0251.0
2008.0200.70
1506.0150.40
1004.0100.30
Grosor
(mil)
Corriente (A)Grosor
(mil)
Corriente (A)
Grosores de las pistas:
Diagramacin de circuitos impresos
Durante la diagramacin del impreso se debe
considerar:
Ubicacin de los componentes
Trazado de las pistas de alimentacin y masa
Trazado de las pistas de seales
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Diagramacin de circuitos impresos
Circuitos impresos simple faz:
Disminuir la impedancia de los caminos, ensanchndolos cuando sea
posible.
Hacer los caminos lo ms cortos posibles.
Colocar capacitores de desacople entre masa y alimentacin.
Utilizar fuentes de alimentacin separadas para circuitos digitales y
analgicos.
Unir la masa digital y analgica en un nico punto.
Diagramacin de circuitos impresos
Distribucin errnea de masa y alimentacin: Trazos largos y finos,
con elevada inductancia
y resistencia.
Gran distancia entrecaminos de alimentacin
y su retorno, por lo tanto
capacidades pequeas e
inductancias elevadas.
Espiras de corriente a
travs de los integrados.
Acoplamiento inductivo
y capacitivo entre
caminos de distintas
ramas de alimentacin y
su retorno.
Los acoplamientos inductivos son origen de ruido. Cuando un campo magntico
variable atraviesa el rea encerrada por una espira conductora, en los extremos de
sta se obtiene una diferencia de potencial, cuya magnitud es directamente
proporcional al rea involucrada.
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Diagramacin de circuitos impresos
Problemas de tierra y PCBsUna pista de 10 mils y
10 cm de longitud, cuyo
cobre posee un espesor
de 35 um y una
resistividad de 0.016
ohm.mm2/m tiene una
resistencia de 0.18 ohm y
presenta una inductancia
de 1 uH.
En diseos de bajo ruido debe prestarse especial atencin a la tierra. Todas las
tierras deben partir de un nico punto y desde el dirigirse a todos los dems. Esta
tcnica se llama interconexin en estrella Recordar que las pistas introducen
efectos parsitos capacitivos, inductivos y resistivos.
Incorrecto. La tierra no
es limpia
Correcto. Al dividir la
pista crtica en dos ya no
hay interaccin de una
pista con otra
Diagramacin de circuitos impresos
Distribucin mejorada de masa y alimentacin:
C
LZ =0
La velocidad de propagacin en un circuito impreso tpico es de 150 mm/ns.
Las pistas de un circuito impreso se comportan como lneas de transmisin cuando el
tiempo de propagacin es mayor que 1/10 del perodo de una seal senoidal, como por
ejemplo, la seal portadora en un sistema de comunicacin. De igual modo, si el tiempo de
propagacin es mayor que el tiempo de transicin en un circuito digital.
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Diagramacin de circuitos impresos
Circuitos impresos doble faz:
Se obtienen menores impedancias que con
los circuitos simple faz.
A pesar de las posibilidades de conexin por
el uso de through holes, se debe ser cuidadoso
puesto que este tipo de unin posee alta
impedancia.
Las lneas de alimentacin pueden ser
ruteadas en sendas caras, una sobre otra, lo
cual conduce a una menor impedancia
caracterstica, reducindose an ms las
posibilidades de radiacin.
Distribucin masa y alimentacin:
! Las lneas por s mismas funcionan como antenas y con solo dos capas esimposible confinar ms el campo magntico.
Diagramacin de circuitos impresos
Circuitos impresos multicapa:
Circuito impreso de cuatro capas:
! El uso de ms de dos capas aumenta las posibilidades de conexin porunidad de rea, pero al mismo tiempo se pueden obtener grandes beneficios
desde el punto de vista EMC.
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Diagramacin de circuitos impresos
Conclusiones: En general, en un circuito simple faz, los caminos de los conductores de
alimentacin deben ser lo ms ancho posibles y estar dispuestos uno prximo
al otro con el objetivo de disminuir el rea efectiva y por lo tanto la
impedancia caracterstica.
Los capacitores de desacople deben ser los adecuados, de modo que funcionen
a la frecuencia correspondiente debiendo estar ubicados lo ms cerca posible
de los circuitos integrados.
Las lneas de seal deben crear la menor rea compatible con la distribucin delos elementos con su camino de retorno. Esta consideracin es muy importante
tanto para los caminos de alta corriente y/o velocidad como para lneas de gran
sensibilidad.
Diagramacin de circuitos impresos
Conclusiones: En los circuitos de baja frecuencia es ms conveniente lograr una buena
distribucin de componentes que mantener el control de impedancia.
Siempre se debe reducir el rea efectiva y evitar bucles de masa o
alimentacin.
Todas las superficies no utilizadas de impreso deben ser completadas con
cobre y conectadas a masa.
Minimizar las capacidades parsitas entre masa y las lneas de seal.
Los PCB de dos capas tienen aplicacin en circuitos sencillos de baja
frecuencia con un mnimo de lneas crticas y donde el cumplimiento de las
normas es fcilmente obtenible.
Cuando se desea realizar un circuito de excelente prestacin en trminos de
EMC y en alta frecuencia, es necesario recurrir a circuitos multicapa.
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Diagramacin de circuitos impresos(Ejemplo: LMH6624)
Diagramacin de circuitos impresos(Ejemplo: LMH6624)
FeaturesVS = 6V, TA = 25C, AV = 20, (Typical values unless
specified)
Gain bandwidth(LMH6624) 1.5GHz
Input voltage noise 0.92nV/
Input offset voltage (limit over temp) 700uV
Slew rate 350V/s
Slewrate (AV = 10) 400V/sHD2 @ f = 10MHz, RL = 100 63dBc
HD3 @ f = 10MHz, RL = 100 80dBc
Supply voltage range(dual supply) 2.5V to 6V
Supply voltage range(single supply) +5V to +12V
Improved replacement for the CLC425 (LMH6624)
Stablefor closed loop |AV| 10
ApplicationsInstrumentation sense amplifiers
Ultrasound pre-amps
Magnetic tape & disk pre-amps
Wide band active filters
Professional Audio Systems
Opto-electronics
Medical diagnostic systems
LAYOUT CONSIDERATIONNational Semiconductor suggests the copper patterns on the
evaluation boards listed belowas a guide for high frequency
layout. These boards are also useful as an aid in device
testing and characterization. As is the case with all highspeed
amplifiers, accepted-practice RF design technique on
the PCB layout is mandatory. Generally, a good high frequency
layout exhibits a separation of power supply and
ground traces from the inverting input and output pins. Parasitic
capacitances between these nodes and groundmay
cause frequencyresponse peaking and possible circuit oscillations
(see Application Note OA-15 for more information).
Use highquality chip capacitorswith values in the range of
1000pF to 0.1F for power supply bypassing. One terminal of
each chip capacitor isconnected to theground planeand the
other terminal is connectedto a point that isas closeas
possible to each supply pin as allowed by themanufacturers
design rules. In addition, connect a tantalum capacitor witha
value between 4.7F and 10F in parallel with the chip
capacitor. Signal lines connectingthe feedback and gain
resistors should be as short as possible to minimize inductance
and microstrip lineeffect. Place input and output termination
resistors as close as possible to the input/output
pins. Traces greater than1 inch in length should be impedance
matched to the corresponding load termination.
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Diagramacin de circuitos impresos(Ejemplo: Pancake Coils)
Diagramacin de circuitos impresos(Ejemplo: Switching Regulator)
CIRCUIT LAYOUT GUIDELINESAs in any switching regulator, layout is very important. Rapidly
switching currents associated with wiring inductance
generate voltage transients which can cause problems. For
minimal inductance andground loops, keep thelength of the
leads and traces as short as possible. Use single point
grounding or ground plane construction for best results.
Separatethe signal grounds fromthe power grounds. When using the
Adjustable version, physically locate the programming resistors as near
the regulator IC as possible, to keep the sensitive feedback
wiring short.
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Diagramacin de circuitos impresosRecomendaciones para el diseo.
Pautas para lograr circuitos impresos prolijos, funcionalmentecorrectos y un armado y puesta en marcha ms eficiente:
Trabajar con un snap-grid de 25 mills.
Trabajar con grillas ms pequeas solo cuando sea imprescindible y
volver inmediatamente a 25 mills.
Las pistas deben comenzar y terminar en el centro del pad, nunca sobre
el borde.
Los bordes de la placa se deben definir con un trazo de 12 mils en el
lugar de corte. De igual forma se deben indicar las caladuras.
Dejar una franja de 0.4 mm sin cobre en todo el contorno del circuito
impreso.
Si el tamao del circuito impreso es crtico se debe tener en cuenta el
mtodo de corte o panelizacin utilizado.
Diagramacin de circuitos impresosRecomendaciones para el diseo.
Pautas para lograr circuitos impresos prolijos, funcionalmentecorrectos y un armado y puesta en marcha ms eficiente:
Definir los dimetros de perforado. Tener en cuenta los incrementos
mnimos entre valores.
Mantener la cantidad de dimetros de perforado distintos en un nmero
mnimo sin perder funcionalidad.
Verificar las medidas reales de los componentes para evitar
dificultades durante el proceso de armado, especialmente en diseos de
dimensiones reducidas o posicionamientos muy cercanos.
Utilizar una relacin dimetro pad/dimetro perforado (corona)
adecuada al tipo de PCB. Mayor corona, mayor resistencia mecnica
del pad, y facilidad en los procesos de soldadura y reparacin.
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Diagramacin de circuitos impresosRecomendaciones para el diseo.
Pautas para lograr circuitos impresos prolijos, funcionalmentecorrectos y un armado y puesta en marcha ms eficiente:
Estandarizar los puentes de alambre para agilizar los procesos de
armado al poder performar el mismo como cualquier componentes
axial.
Verificar antes de enviar el diseo a produccin los layers definidos
para las mscaras antisoldantes y la legibilidad de los layers de
impresin de componentes. Muchas veces es necesario reordenar lasleyendas.
Diagramacin de circuitos impresosEleccin del tamao del Pad
! La posibilidad dereparar exitosamente
una plaqueta electrnica
que necesite el
reemplazo de algn
componente daado,
est dada entre otrascosas por el dimetro de
sus pads y su relacin
con respecto al dimetro
de perforado. Durante
los procesos de
soldadura o reparacin
de un circuito impreso,
el calor es destructivo si
no se lo disipa
adecuadamente.
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Diagramacin de circuitos impresosEspecificaciones de fabricacin
Diagramacin de circuitos impresosEspecificaciones de fabricacin
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Fabricacin casera de impresos
Los pasos bsicos para generar un circuito impreso son:
Prepararacin de la plaqueta
Transferencia del dibujo del circuito impreso a la plaqueta
Procesado qumico
Perforado
Proteccin del circuito impreso
! Antes de proceder a la fabricacin delcircuito impreso, es conveniente probar elmontaje de los componentes reales sobre elpapel.
Fabricacin casera de impresos
Disear el circuito
impreso
Imprimir una imagen
especular del PCB
(mediante impresora
lser) sobre papel de
transferencia trmica
Recortar la
impresin
Sistema de transferencia trmica
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Fabricacin casera de impresos
Es conveniente dejar
un margen alrededordel circuito impreso
Limpiar la placa
cobreadaApoyar la impresin
de manera que la
cara activa, que es la
que contiene el
toner est en
contacto con el cobre
Sistema de transferencia trmica
Fabricacin casera de impresos
Pasar la plancha
caliente (170C a
190C)
Dejar enfriar y
separar el papel de la
placa
Sistema de transferencia trmica
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Fabricacin casera de impresos
Mscaras positivas
Sistema Fotosensible
Insolacin Revelado con
metasilicato de sodioDURANTE EL REVELADO TENER EN CUENTA QUE:
EL METASILICATO DE SODIO ES ALTAMENTE CUSTICO.ES NECESARIO UTILIZAR GUANTES DE LTEX Y ANTEOJOS PROTECTORES.A PESAR DE UTILIZAR GUANTES, PUEDEN TENER POROS. DEBEN UTILIZARSE PINZASDE PLSTICO PARA MANIPULAR LA PLACA Y PROCURAR NO INTRODUCIR LOS DEDOSEN LA MEZCLA.SE DEBE HACER EN UNA CUBETA DE PLSTICO.NO SE DEBE ARROJAR EL REVELADOR EN EL DESAGE. GUARDARLO EN UNRECIPIENTE DE PLSTICO OPACO.
Fabricacin casera de impresos
Cloruro Frrico
Ataque Qumico
DURANTE EL ATAQUE QUMICO:
ES NECESARIO UTILIZAR GUANTES DE LTEX Y ANTEOJOS PROTECTORES.A PESAR DE UTILIZAR GUANTES, PUEDEN TENER POROS. DEBEN UTILIZARSE PINZASDE PLSTICO PARA MANIPULAR LA PLACA Y PROCURAR NO INTRODUCIR LOS DEDOSEN LA MEZCLA.SE DEBE HACER EN UNA CUBETA DE PLSTICO.NO DEBE REALIZARSE EN RECIENTOS CERRADOS Y DEBE HABER VENTILACIN.NO ARROJAR EL CLORURO FRRICO AL DESAGE.
Ataque qumico. Sumergir la placa en el cido para
eliminar el cobre innecesario
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Fabricacin casera de impresos
Taladrado
Terminacin
Limpieza
Soldadura y Desoldadura de
Componentes ElectrnicosSeleccin de latemperatura de lapunta
Fusin rpida y
controlable sobre la
soldadura.
Fusin completa de2 a 5 seg.
Temperatura entre
315 a 400 (segn
la aplicacin)
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Soldadura y Desoldadura deComponentes Electrnicos
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