7Caso de Estudio

En este apartado se muestra el proceso completo de diseño de una PCB siguiendo un caso real de PCB. El diseño se ha realizado utilizando Altium Designer Software. Los pasos principales incluyen:

- Creación de bibliotecas: antes de comenzar el diseño de la PCB, tienen que estar hechos todos los símbolos para el diseño esquemático y también tienen que estar creadas todas las huellas necesarias para el diseño de la PCB.
- Obtener toda la información necesaria.
  - Información mecánica de la carcasa: formato 3D STEP, DXF (escala 1:1), PDF que contiene las áreas restringidas para componentes en las caras SUPERIOR e INFERIOR de la placa.
  - Esquema final: contiene todas las conexiones entre componentes, algunas reglas relacionadas con los diferentes nodos y explicaciones sobre cómo proceder con componentes especiales.
  - Recomendaciones de diseño del fabricante de los componentes clave (esto aplica a microcontroladores, componentes de alimentación, memorias DDR y a cualquier componente que requiera un diseño especial).
- Definición de la pila de capas: Definir en función de la necesidad de PCB, la densidad, el presupuesto y el tiempo de diseño.

Fig. 6. Definición de la pila de capas de la PCB.

- Importar el mechanical DXF a Altium special layer (capa mecánica).

Fig. 7. Capa mecánica.

- Definir la forma de la placa a partir del fichero DXF en la capa mecánica 2 (se usará mecánica 1 para el panel de producción y mecánica 2 para el diseño de una sola placa)
- Situe el origen de la PCB. Esto es muy importante y necesario para tener un buen punto de referencia para el diseño, colocar la PCB en el panel de producción, ubicar la carcasa 3D, la generación de información de producción (ficheros gerber y de taladrado) y la documentación de montaje (selección y ubicación, archivos ODB ++).

Fig. 8. Origen de la PCB.

- Dibuje las áreas restringidas para la colocación de componentes, cobre y diferentes restricciones de altura en las caras SUPERIOR e INFERIOR (elija cualquier capa mecánica de Altium).

Fig. 9. Caras SUPERIOR e INFERIOR.

- Establecer todas las reglas de diseño en Altium Designer. Es posible establecer diferentes reglas para ayudarnos con nuestro diseño. Las reglas son relativas a restricciones eléctricas y de enrutamiento (distancias), la topología, las capas a usar, la ubicación, la fabricación, la integridad de la señal y muchos otros aspectos. Elegiremos las correspondientes y necesarias para llevar a cabo con éxito nuestro diseño.

Fig. 10. Editor de reglas y restricciones de la PCB.

- Realice la actualización del esquemático de la PCB. En la PCB aparecerán todas las huellas correspondientes a los símbolos del esquemático.

Fig. 11. Símbolos esquemáticos y huellas.

- Realice la colocación de los componentes. En este diseño, el objetivo es conseguir una longitud mínima del patrón (pattern) con sólo dos capas para minimizar el coste del producto final. También es necesaria la mejor disipación de energía, por lo que se necesita preparar el máximo espacio libre para poder hacer conexiones anchas de cobre.

Fig. 12. Cara superior 3D, caras SUPERIOR e INFERIOR.

- Coloque los componentes con posición fija (a partir del diseño mecánico) como LEDs y conectores.
- Tenga cuidado con las áreas permitidas de colocación de componentes que se hayan definido.
- Coloque todos los componentes lo más cerca posible entre ellos dentro de cada bloque de circuito.
- Mantenga suficiente espacio para que el transistor controle la corriente a través del led para permitir la máxima disipación (alta potencia)
- Coloque juntos los divisores de tensión.
- Check the final placement with the real mechanical housing by embedding 3D step. Compruebe la colocación final con la carcasa mecánica real incrustando el paso 3D Compruebe la colocación final con la carcasa mecánica real incrustando el paso 3D.

Fig. 13. 3D (Cara SUPERIOR), caras SUPERIOR e INFERIOR.

- Realizar el trazado de pistas de la PCB
  - A veces, una vez que se inicia el trazado de pistas, se detectan algunas posibles mejoras de ubicación, lo que significa que se deben realizar verificaciones 3D adicionales para asegurar que no haya problemas con el producto completo.
  - Se agregan muchas vías para mejorar la disipación térmica (esta es una placa especial donde la disipación de potencia es importante).

Fig. 14. Trazado de pistas de la PCB.

- Diseño del panel de producción. Debe hacerse para hacer un proceso de montaje más rápido y más barato. El panel contiene muchas PCB individuales con algunos agujeros y marcas. Las dimensiones del panel se definen de acuerdo con los requisitos de la planta de producción y la mejor rentabilidad del panel de trabajo del fabricante. El panel de trabajo contiene muchos paneles de producción.

Fig. 15. Diseño del panel de producción.

- Verificación de DRC (Comprobación de Reglas de Diseño) y DFM (Diseño para Fabricación).
- El DRC permite al diseñador de la PCB detectar cualquier posible error y asegurar la calidad final de PCB. Las comprobaciones se realizan automáticamente siguiendo las reglas de diseño establecidas. Algunas de las verificaciones de DRC están relacionadas con las siguientes reglas:
  - Eléctricas: pista no trazada, pin no conectado, cortocircuito, separaciones, ...
  - Trazado de pistas: anchura de pista, tipo de via, capas de enrutamiento, pares diferenciales, ..
  - SMT: Distancia desde cualquier SMD a plano de cobre, esquina, …
  - Fabricación: Distancias entre serigrafía y máscara de soldadura, serigrafía a serigrafía, agujero a agujero, tamaño de los agujeros, ...
  - Alta velocidad: Vias bajo SMD, segmentos paralelos, recuento de vias, longitudes de pista coincidentes, .....
  - Colocación: Altura máxima, separación de componentes, capas permitidas, …
  - Otras reglas específicas de diseño de usuario.
- El DFM lo realiza la planta de producción que ensambla el Panel, e informa al diseñador de la PCB de cualquier problema que afecte la calidad del proceso de ensamblaje.
- Generación de la documentación del panel de producción de PCB para la fabricación y montaje de la PCB sin componentes.
- Necesario para la fabricación de la PCB sin componentes.
  - Información del fichero Gerber
  - Información de taladrado
  - Hoja de especificaciones de la PCB
- Necesario para el montaje de la PCB
  - Información de los ficheros Gerber y de taladrado
  - Archivos para la fabricación de plantillas para la pasta de soldadura de los SMD
  - Hoja de especificaciones de la PCB
  - Información de montaje de la PCB (pdf 's para cualquier capa de pcb)
  - ODB++ (formato universal)
  - Informe de puntos de test: para el test funcional y el In Circuit Test (ICT)
  - Fichero Pick & Place: para máquinas de inserción de componentes