Práctica - Placa de Circuito Impreso

Placas de circuito impreso (PCB)

   Despues de ver el temario sobre PCB (Placas de circuito impreso), voy a realizar mi primera práctica imprimiendo una placa basada en RasPio (ADC_MCP3008).

 Este tema es una breve introducción sobre la realización de este tipo de placas, el cual comentaré a continuación.

Circuito impreso (PCB)

    La placa de circuito impreso PCB (Printed Circuit Board) suele ser una superficie plana de un espesor variable y normalmente de forma rectangular o cuadrada.
Está constituida por un material base o substrato de tipo laminado rígido o flexible que sirve de soporte físico aislante para la colocación y soldadura de los componentes y el trazado de las pistas conductoras de cobre.
El soporte base tiene que ser muy buen aislante eléctrico y muy resistente al fuego. Actualmente, los materiales más utilizados son:

• Fibra de vidrio.
• Politetrafluoretileno.
• PTFE-fibra de vidrio.
• PTFE-fibra de cerámica.
• Termoplástico.
• Resina epoxídica.
• Resina de silicona.
• Resina melamínica.
• Y diferentes mezclas entre ellos para mejorar las propiedades del substrato.

Los tipos de PCB que actualmente se fabrican son:

• Monocapa o simple cara.
• Bicapa o doble cara.
• Multicapa o más de dos caras.
• Multicapa cableados o multiwire.
• Flexible.
• Flexible multicapa.
• Rígido-flexible multicapa.
• Tridimensional o MCB.

 Todas las placas tienen dos superficies o caras, según se aprecia en la siguiente figura.

• Cara de componentes: Donde se encuentran colocados los componentes y los conectores de entrada-salida de la placa.
• Cara de pistas: Donde se encuentran las pistas conductoras impresas (tracks) y (pads) superficies de contacto y soldadura.

 Una de las caras de la placa, o ambas, está revestida de una lámina de cobre de un espesor que habitualmente es de 35 ó 70 µm.

Esta lámina es una delgada capa de cobre sólidamente encolada a la superficie de la placa. 

Por lo que se refiere al soporte aislante, el valor típico está comprendido entre 1,5 – 1,6 mm.

Pricncipios generales del diseño de PCB

  Diseñar un circuito impreso consiste básicamente en transformar el esquema general del circuito en un plano real, que contempla la colocación y posición de 
los componentes, el trazado de las pistas de conexión eléctrica y sus puntos de contacto e interconexión, así como todas las entradas y salidas del circuito.

Por lo general el proceso de diseño PCB engloba tres grandes pasos:

• Generación de los encapsulados y conexionado de componentes.
• Colocación de los componentes sobre la placa (placement) ya sea de forma manual o automática (autoplacement).
• Conexionado de los componentes mediante pistas de cobre, las cuales se trazarán en la medida de lo posible de forma automática (autorouting).

De forma global, el proceso combinado de placement y autorouting recibe el nombre de LAYOUT PCB.

Clases de PCB

• Sistemas analógicos de aplicaciones generales. Contienen circuitos analógicos con amplificadores operacionales y transistores que trabajan a bajas frecuencias, por debajo del Mhz, con pequeñas ganancias y bajos niveles de ruido.
• Sistemas digitales de aplicaciones generales. Este tipo de sistemas contienen dispositivos digitales, (puertas, contadores, y microcontroladores) que operan hasta frecuencias límite de 20 Mhz.
• Sistemas analógicos de altas prestaciones. Este tipo de PCB tiene circuitería analógica con ancho de banda amplio (sistemas de video) o alta ganancia (amplificadores parra transductores), o sistemas con bajo ruido y amplio rango dinámico (conversores A/D y D/A).
• Sistemas digitales de alta velocidad.Se corresponden con circuitería digital que funciona a velocidades superiores a los 20 Mhz.
• Sistemas de radiofrecuencia (RF). Este tipo de tarjetas tienen diseños especiales diseñados para operar a muy altas frecuencias (20 Mhz), y frecuentemente con muy bajo ruido y altas especificaciones de funcionamiento dinámico.

Posicionamiento de los componentes en la PCB 

Si el software muestra los hilos elásticos de conexión (rastnets), desplazaremos y rotaremos los componentes para conseguir que los hilos de conexionado sean los más rectos y cortos posibles.

  Colocar los componentes sobre la PCB, en la medida de lo posible, en el mismo orden en el que se dibuja el esquema dentro del plano, esto permite pistas más cortas. Lo normal es colocar los componentes grandes primero y posicionar los pequeños alrededor de ellos.

   Comprobar que no se producen violaciones en lo referente a distancias mínimas (clearances) entre componentes, o localización en posiciones demasiado cercanas a los extremos de la placa.

  Conviene dejar 0,030” (0,76mm) entre componentes y 0,050” (1,27mm) entre un componente y el extremo De la PCB, así evitaremos que la soldadura fluya de un pad a otro y se generen cortocircuitos.

  Actualmente, la mayoría de las tarjetas de circuito impreso son mixtas, es decir, están constituidas por dos clases de componentes:

• THD (Through-Hole Device).
• SMD (Surface Mounted Device).

   Los componentes THD son insertados a través de los agujeros (pads) para su posterior soldadura. Suelen ser componentes pasivos, conectores y componentes de potencias con gran cuerpo para disipar calor.
  
  Los componentes SMD, normalmente, necesitan de un pegamento para facilitar su soldadura.

  Para concluir este apartado hay un condensador que aparece en la mayoría de los diseños: CONDENSADOR DE DESACOPLO. Esta palabra en realidad significa absorción de ruido.

  Para que resulten efectivos deberán localizarse lo más cerca posible de los terminales de alimentación del componente activo. Su valor será de unos 100nF.

 

Trazado de pistas, pads y vías

• TRACKS: Pistas de cobre adheridas al soporte aislante por donde circula la corriente.
• PADS: Áreas de cobre para la soldadura de forma cuadrada, circular o rectangular, en la que se soldará el terminal del componente SMD o THD. Los PADS son un patrón para las impresiones de cobre, para la máscara de soldadura y para la aplicación de la pasta o crema de soldar.
• VÍAS: Agujeros pasantes metalizados, que permiten la conexión de pistas situadas en capas o caras distintas, realizado en la PCB mediante taladro de precisión.

 

Clases de fabricación de PCB

• CLASE 3: Baja densidad de componentes, propia de las PCB con componentes THD ubicados en la cara TOP.
• CLASE 4: Moderada densidad de componentes, por ejemplo con componentes THD y SMD ubicados ambos en la cara TOP.
• CLASE 5: Alta densidad de componentes, que suele darse utilizando sólo componentes SMD en la cara TOP.
• CLASE 6: Muy alta densidad de componentes, utilizando sólo componentes SMD en ambas caras TOP y BOTTOM de la PCB.

 Precauciones

• En general las pistas cortas (shortest) son las mejores, ya que las largas tienden a generar más ruido. Esto es especialmente importante en los sistemas de RF, donde las pistas pueden actuar como antenas de transmisión y recepción.
• CROSS COUPLING: Acoplamiento entre pistas
• CROSS TALK: Réplicas de las señales en ellas.
• Estos dos fenómenos tienen especial importancia en diseños de alta frecuencia, hasta el punto de imposibilitar su funcionamiento. La única solución puede ser cortar las pistas afectadas y sustituirlas por hilo de cobre.
• Las señales de reloj de los sistemas digitales a alta frecuencia pueden generar interferencias.
• Igualmente no conviene trazar pistas en las cercanías de las entradas de los amplificadores operacionales de alta ganancia.
• Otro aspecto a tener en cuenta mientras ruteamos la PCB es el número de vías a utilizar, además del aspecto económico: el metalizado de las mismas resulta caro y pueden acoplara las señales de ruido, por lo tanto se intentará minimizar su número en la medida de lo posible.

Voy a diseñar una placa basada en RasPio (ADC_MCP3008).

Y así es como queda la placa conexionada, cada uno utiliza su propio diseño y le da su toque personal a su placa RasPio (ADC_MCP3008).

Y asi es como queda ya la placa hecha.