Paso 1 - Elegir la herramienta EDA adecuada
Las herramientas EDA que conozco y que mucha gente utiliza son Altium Designer, Mentor PADS y Cadence (OrCAD y Allegro). También he utilizado EAGLE, Protel, y Lichuang EDA. Para los principiantes, recomiendo Altium Designer. Para los que pueden llegar a ser profesionales, recomiendo Cadence.
Una gran parte del aprendizaje del diseño de PCB consiste en aprender el software EDA. Una vez que se conoce el software, el aprendizaje se centra en el diseño de circuitos y los procesos de fabricación. Más adelante se aprenden protocolos, firmware, señales de alta velocidad o CEM. Entonces, la herramienta EDA es sólo una herramienta, no el objetivo principal.
Paso 2 - Finalizar el esquema del circuito
Por ejemplo, el esquema de un circuito de linterna puede parecer sencillo: dos soportes para pilas monedero, un interruptor, una resistencia limitadora de corriente y un LED. Esto forma un esquema muy sencillo.
Para una función más compleja, como una placa de demostración para el chip Ethernet SPI KSZ8851SNL, el esquema puede necesitar docenas o cientos de piezas y cientos de redes. Cómo dibujar un esquema de este tipo es un tema muy amplio. Este artículo sólo da una visión general del flujo de diseño de PCB.
Paso 3 - Dibujar las huellas (paquetes de componentes)
Antes de colocar las piezas en el esquema, se dibuja la huella de cada pieza. Después de dibujar las huellas, se colocan las piezas en el esquema una a una. La razón por la que hacemos las huellas primero es que cuando la misma pieza se utiliza muchas veces, no la volvemos a dibujar cada vez. Simplemente reutilizamos la huella guardada. Esto ahorra mucho trabajo repetido. Si todas las huellas se compartieran, los diseñadores se saltarían este paso.
En el ejemplo de la linterna hemos utilizado cuatro tipos de piezas. Cada pieza tiene un símbolo en el esquema. Para cada símbolo añadimos pines y nombres. Esto termina el símbolo esquemático de una pieza y enlaza con su huella. Para piezas comunes como resistencias, condensadores o inductores, la mayoría de las herramientas EDA proporcionan símbolos y huellas de ejemplo. Puedes tomarlos de la biblioteca del proveedor y guardarlos en tu propia biblioteca.
Para piezas poco comunes, como circuitos integrados o conectores especiales, a menudo hay que dibujar la huella a mano utilizando la hoja de datos del chip. Por ejemplo, trabajé con el chip de protocolo Mechatrolink de Yaskawa. El chip sólo viene de Yaskawa y sólo proporcionan una hoja de datos, no huellas para cada herramienta EDA. Tuve que colocar sus 100 pines uno a uno y asignarles nombres y números.
Para chips grandes, como un ZYNQ XC7Z010-1CLG400I BGA con 400 pines, el trabajo es grande. Tendrías que colocar 400 pines, añadir números y nombres. En el caso de los chips de grandes proveedores, los fabricantes suelen proporcionar archivos de pinout descargables. Por ejemplo, Xilinx proporciona archivos de configuración de pines Zynq-7000 que puedes importar para crear símbolos esquemáticos y huellas sin tener que escribir 400 pines a mano:
https://www.xilinx.com/support/package-pinout-files/zynq7000-pkgs.html
Para muchos chips comunes también puedes encontrar huellas en línea. Consulte mi respuesta sobre cómo buscar y descargar esquemas de chips y huellas de PCB.
Paso 4 - Crear el proyecto, las páginas y las partes de lugar
Después de crear o importar las huellas y los símbolos, cree el proyecto y las páginas. Coloque todas las piezas en el proyecto de PCB.
Paso 5 - Cablear el esquema (conectar piezas)
Cablea cada pin de acuerdo con el netlist. Así se crean las conexiones lógicas entre las piezas.
Paso 6 - Exportar / importar netlist
El esquema enumera todas las patillas y sus conexiones. Una vez hecho el esquema, empieza el diseño de la PCB. Para PADS y Cadence, las herramientas de esquemático y PCB pueden estar separadas. Debes exportar el netlist desde la herramienta esquemática e importarlo a la herramienta PCB. Altium integra esquemático y PCB, por lo que puede transferir el netlist con un solo clic. Los formatos de netlist se comparten habitualmente, por lo que muchas herramientas pueden exportar e importar entre sí. OrCAD y Allegro fueron una vez herramientas separadas y más tarde se fusionaron bajo Cadence.
Paso 7 - Dibujar las huellas de PCB
Al igual que los símbolos esquemáticos, cada pieza necesita una huella de PCB. Una huella de PCB es el conjunto de almohadillas, serigrafías y el espacio que ocupa la pieza en la placa. A partir de la imagen del chip y su dibujo mecánico, ya sabes cómo dibujar la huella. Los pads suelen ser ligeramente más grandes que los pines. Las aberturas de la máscara de soldadura son mayores que los pads. La capa de estarcido coincide con el tamaño de los pads. En el caso de las piezas con orificios pasantes, es posible que también necesite una capa negativa para las capas internas.
La serigrafía suele mostrar el contorno de la pieza y la marca pin-1. Para huellas comunes como SO14, puede copiar de una biblioteca existente.
Si una pieza no es común, utilice la hoja de datos para dibujar la huella.
Paso 8 - Configurar los parámetros básicos de la placa de circuito impreso
Después de importar el netlist, configure los datos básicos de la placa: grosor de la placa, recuento de capas y apilado de capas. Los tres son básicos, pero sólo el recuento de capas se muestra normalmente en los archivos de salida. La pila de capas y el grosor de la placa suelen comunicarse en texto al fabricante. El diseño del apilado es importante: qué capas llevan señales, cuáles son planos y cuáles combinan planos y trazas. Para una placa de 4 capas, las capas 2 y 3 son a menudo GND y VCC, con la parte superior e inferior para el enrutamiento. Para una placa de 6 capas, puede poner GND en 2 y 5 y VCC en 3 o 4. Para 8+ capas, las opciones son flexibles. Para más de 8 capas, las opciones son flexibles.
Paso 9 - Dibujar el contorno del tablero
Definir la forma del tablero y las zonas de exclusión.
Paso 10 - Colocar las piezas en la PCB
Coloque las piezas una vez que las huellas estén listas. Si una huella es incierta porque aún no tiene la pieza, coloque primero otras piezas y vuelva más tarde.
Paso 11 - Establezca las vías, la anchura de la traza y el espaciado por defecto
Establezca los tamaños de vía, el ancho de traza y el espaciado predeterminados. Estos valores por defecto se aplican durante el enrutamiento. Para redes especiales o redes de potencia, ajústelas temporalmente.
Paso 12 - Establecer reglas avanzadas
Si existen señales de alta velocidad, establezca reglas para las restricciones de enrutamiento. Entre las reglas avanzadas se incluyen la anchura/espaciado de pares diferenciales, los límites de coincidencia de longitudes, el necking de pads y las holguras mínimas. Por ejemplo, las señales DDR3 requieren longitudes coincidentes: las líneas de dirección, reloj y comando necesitan la misma longitud; las líneas de datos y DQS necesitan su propia coincidencia. Un mal control de la longitud puede romper la sincronización de la DDR y obligar a reducir la velocidad. Para más información, consulta estos recursos sobre DDR:
- Principio de funcionamiento de DDR y manejo de DQS: www.elecfans.com/d/682335.html
- Reloj diferencial, DQS y DQM: www.cnblogs.com/edadoc/p/6387049.html
Algunas normas pueden requerir primero un trazado y, a continuación, cambios en las normas y una reelaboración para cumplirlas.
Paso 13 - Trazar y dibujar vertidos poligonales (formas)
El trazado conecta las redes esquemáticas con las pistas de cobre. La mayor parte del tiempo del diseño de PCB se dedica al trazado. Existen herramientas de enrutado automático, pero para placas complejas sus resultados suelen requerir una limpieza a fondo. Algunos expertos pueden establecer reglas para utilizar bien el autoenrutado. Para redes de alta corriente se pueden utilizar trazas anchas o vaciados de cobre. Utiliza zonas planas conectadas a pads como redes de bloques.
El trazado debe ser cuidadoso: anchura del trazo, espaciado, ángulos y direcciones. Más adelante daré consejos sobre el trazado.
Etapa 14 - Ajustar la serigrafía
Ajuste el tamaño, la posición y la orientación de la serigrafía para que los números de pieza queden claros durante el montaje y las pruebas. Los fabricantes suelen imprimir su logotipo o código de fecha. Los diseñadores pueden dejar sus propias notas.
Paso 15 - Exportar archivos de perforación y Gerbers (archivos de trazado)
Después de la colocación, enrutamiento y serigrafía, puede exportar archivos de fabricación. Para Altium, algunos proveedores chinos aceptan archivos de proyecto directamente. Para PADS y Cadence debe exportar archivos de taladrado y Gerbers. Si existen orificios no redondos, exporte también los archivos de fresado para las fresas.
Paso 16 - Proporcionar parámetros de fabricación y notas sobre el proceso
Los archivos de diseño no recogen todos los parámetros. Debe enviar instrucciones de texto para los parámetros y requisitos que los archivos no expresan. Consulte en Internet las casas de tableros para conocer las opciones que debe especificar. Conozco algunas casas de tableros: JLCPCB, HQPCB, JietaiPCB, Xunjiexing, Xingsen, Lichuang, etc. Abajo hay capturas de pantalla de los parámetros de JLCPCB - muchos parámetros pueden no ser visibles aquí pero son necesarios para placas complejas. La creación de prototipos en línea suele cubrir necesidades más sencillas.
Paso 17 - Ajustes de impedancia y apilamiento
Para señales de alta velocidad, especifique la impedancia característica objetivo. Cuando envíe la señal a la fábrica, diseñe el apilamiento y calcule la anchura y el espaciado de las líneas para la impedancia objetivo. Utiliza los valores calculados para el encaminamiento. Una vez realizado el encaminamiento, facilite a la fábrica el apilado y los objetivos de impedancia. La fábrica comprobará sus materiales y procesos y te dirá si es necesario realizar ajustes y cuál es el error de impedancia esperado. Entonces podrás confirmar si el objetivo es factible. Si no calculas primero la impedancia y eliges el apilado y la anchura al azar, es posible que el fabricante no pueda cumplir los requisitos de impedancia y diafonía.
Paso 18 - PCBA (montaje y soldadura)
Una vez terminados los archivos de PCB y fabricadas las placas, el siguiente paso es el PCBA. Para la producción en serie se utilizan líneas SMT. Para pequeñas series o prototipos, muchas piezas (excepto BGA, grandes placas de masa o piezas 0201 muy pequeñas) pueden soldarse a mano. Para series pequeñas de menos de 10 placas, la soldadura manual puede resultar más barata y rápida que el montaje en línea.
Para el montaje debe exportar y enviar:
- Lista de materiales,
- Fichero Pick-and-place (coordenadas y orientación de la pieza),
- Máscara de pasta Gerber (de la capa pastemask).
Etiquete todas las piezas y envíe listas de piezas y referencias. A continuación, espere a que termine la PCBA.
Con el software PCB EDA, se pueden diseñar circuitos y generar archivos fotoplot en un ordenador con bastante facilidad. Pero como las placas de circuito impreso son estructuralmente complejas, los pasos reales siguen siendo bastante detallados. Este artículo no explica qué circuito hace qué. Sólo muestra el proceso de diseño de PCB. Abarca: el dibujo de la huella, el dibujo esquemático, el diseño de la PCB y la exportación Gerber. Proporciona el flujo aproximado y algunos detalles. El objetivo es ayudarte a entender los pasos del diseño de PCB y hacer coincidir cada paso del diseño con el paso real de fabricación.
Paso 1 - Elegir la herramienta EDA adecuada
Las herramientas EDA que conozco y que mucha gente utiliza son Altium Designer, Mentor PADS y Cadence (OrCAD y Allegro). También he utilizado EAGLE, Protel, y Lichuang EDA. Para los principiantes, recomiendo Altium Designer. Para los que pueden llegar a ser profesionales, recomiendo Cadence.
Una gran parte del aprendizaje del diseño de PCB consiste en aprender el software EDA. Una vez que se conoce el software, el aprendizaje se centra en el diseño de circuitos y los procesos de fabricación. Más adelante se aprenden protocolos, firmware, señales de alta velocidad o CEM. Entonces, la herramienta EDA es sólo una herramienta, no el objetivo principal.
Paso 2 - Finalizar el esquema del circuito
Por ejemplo, el esquema de un circuito de linterna puede parecer sencillo: dos soportes para pilas monedero, un interruptor, una resistencia limitadora de corriente y un LED. Esto forma un esquema muy sencillo.
Para una función más compleja, como una placa de demostración para el chip Ethernet SPI KSZ8851SNL, el esquema puede necesitar docenas o cientos de piezas y cientos de redes. Cómo dibujar un esquema de este tipo es un tema muy amplio. Este artículo sólo da una visión general del flujo de diseño de PCB.
Paso 3 - Dibujar las huellas (paquetes de componentes)
Antes de colocar las piezas en el esquema, se dibuja la huella de cada pieza. Después de dibujar las huellas, se colocan las piezas en el esquema una a una. La razón por la que hacemos las huellas primero es que cuando la misma pieza se utiliza muchas veces, no la volvemos a dibujar cada vez. Simplemente reutilizamos la huella guardada. Esto ahorra mucho trabajo repetido. Si todas las huellas se compartieran, los diseñadores se saltarían este paso.
En el ejemplo de la linterna hemos utilizado cuatro tipos de piezas. Cada pieza tiene un símbolo en el esquema. Para cada símbolo añadimos pines y nombres. Esto termina el símbolo esquemático de una pieza y enlaza con su huella. Para piezas comunes como resistencias, condensadores o inductores, la mayoría de las herramientas EDA proporcionan símbolos y huellas de ejemplo. Puedes tomarlos de la biblioteca del proveedor y guardarlos en tu propia biblioteca.
Para piezas poco comunes, como circuitos integrados o conectores especiales, a menudo hay que dibujar la huella a mano utilizando la hoja de datos del chip. Por ejemplo, trabajé con el chip de protocolo Mechatrolink de Yaskawa. El chip sólo viene de Yaskawa y sólo proporcionan una hoja de datos, no huellas para cada herramienta EDA. Tuve que colocar sus 100 pines uno a uno y asignarles nombres y números.
Para chips grandes, como un ZYNQ XC7Z010-1CLG400I BGA con 400 pines, el trabajo es grande. Tendrías que colocar 400 pines, añadir números y nombres. En el caso de los chips de grandes proveedores, los fabricantes suelen proporcionar archivos de pinout descargables. Por ejemplo, Xilinx proporciona archivos de configuración de pines Zynq-7000 que puedes importar para crear símbolos esquemáticos y huellas sin tener que escribir 400 pines a mano:
https://www.xilinx.com/support/package-pinout-files/zynq7000-pkgs.html
Para muchos chips comunes también puedes encontrar huellas en línea. Consulte mi respuesta sobre cómo buscar y descargar esquemas de chips y huellas de PCB.
Paso 4 - Crear el proyecto, las páginas y las partes de lugar
Después de crear o importar las huellas y los símbolos, cree el proyecto y las páginas. Coloque todas las piezas en el proyecto de PCB.
Paso 5 - Cablear el esquema (conectar piezas)
Cablea cada pin de acuerdo con el netlist. Así se crean las conexiones lógicas entre las piezas.
Paso 6 - Exportar / importar netlist
El esquema enumera todas las patillas y sus conexiones. Una vez hecho el esquema, empieza el diseño de la PCB. Para PADS y Cadence, las herramientas de esquemático y PCB pueden estar separadas. Debes exportar el netlist desde la herramienta esquemática e importarlo a la herramienta PCB. Altium integra esquemático y PCB, por lo que puede transferir el netlist con un solo clic. Los formatos de netlist se comparten habitualmente, por lo que muchas herramientas pueden exportar e importar entre sí. OrCAD y Allegro fueron una vez herramientas separadas y más tarde se fusionaron bajo Cadence.
Paso 7 - Dibujar las huellas de PCB
Al igual que los símbolos esquemáticos, cada pieza necesita una huella de PCB. Una huella de PCB es el conjunto de almohadillas, serigrafías y el espacio que ocupa la pieza en la placa. A partir de la imagen del chip y su dibujo mecánico, ya sabes cómo dibujar la huella. Los pads suelen ser ligeramente más grandes que los pines. Las aberturas de la máscara de soldadura son mayores que los pads. La capa de estarcido coincide con el tamaño de los pads. En el caso de las piezas con orificios pasantes, es posible que también necesite una capa negativa para las capas internas.
La serigrafía suele mostrar el contorno de la pieza y la marca pin-1. Para huellas comunes como SO14, puede copiar de una biblioteca existente.
Si una pieza no es común, utilice la hoja de datos para dibujar la huella.
Paso 8 - Configurar los parámetros básicos de la placa de circuito impreso
Después de importar el netlist, configure los datos básicos de la placa: grosor de la placa, recuento de capas y apilado de capas. Los tres son básicos, pero sólo el recuento de capas se muestra normalmente en los archivos de salida. La pila de capas y el grosor de la placa suelen comunicarse en texto al fabricante. El diseño del apilado es importante: qué capas llevan señales, cuáles son planos y cuáles combinan planos y trazas. Para una placa de 4 capas, las capas 2 y 3 son a menudo GND y VCC, con la parte superior e inferior para el enrutamiento. Para una placa de 6 capas, puede poner GND en 2 y 5 y VCC en 3 o 4. Para 8+ capas, las opciones son flexibles. Para más de 8 capas, las opciones son flexibles.
Paso 9 - Dibujar el contorno del tablero
Definir la forma del tablero y las zonas de exclusión.
Paso 10 - Colocar las piezas en la PCB
Coloque las piezas una vez que las huellas estén listas. Si una huella es incierta porque aún no tiene la pieza, coloque primero otras piezas y vuelva más tarde.
Paso 11 - Establezca las vías, la anchura de la traza y el espaciado por defecto
Establezca los tamaños de vía, el ancho de traza y el espaciado predeterminados. Estos valores por defecto se aplican durante el enrutamiento. Para redes especiales o redes de potencia, ajústelas temporalmente.
Paso 12 - Establecer reglas avanzadas
Si existen señales de alta velocidad, establezca reglas para las restricciones de enrutamiento. Entre las reglas avanzadas se incluyen la anchura/espaciado de pares diferenciales, los límites de coincidencia de longitudes, el necking de pads y las holguras mínimas. Por ejemplo, las señales DDR3 requieren longitudes coincidentes: las líneas de dirección, reloj y comando necesitan la misma longitud; las líneas de datos y DQS necesitan su propia coincidencia. Un mal control de la longitud puede romper la sincronización de la DDR y obligar a reducir la velocidad. Para más información, consulta estos recursos sobre DDR:
- Principio de funcionamiento de DDR y manejo de DQS: www.elecfans.com/d/682335.html
- Reloj diferencial, DQS y DQM: www.cnblogs.com/edadoc/p/6387049.html
Algunas normas pueden requerir primero un trazado y, a continuación, cambios en las normas y una reelaboración para cumplirlas.
Paso 13 - Trazar y dibujar vertidos poligonales (formas)
El trazado conecta las redes esquemáticas con las pistas de cobre. La mayor parte del tiempo del diseño de PCB se dedica al trazado. Existen herramientas de enrutado automático, pero para placas complejas sus resultados suelen requerir una limpieza a fondo. Algunos expertos pueden establecer reglas para utilizar bien el autoenrutado. Para redes de alta corriente se pueden utilizar trazas anchas o vaciados de cobre. Utiliza zonas planas conectadas a pads como redes de bloques.
El trazado debe ser cuidadoso: anchura del trazo, espaciado, ángulos y direcciones. Más adelante daré consejos sobre el trazado.
Etapa 14 - Ajustar la serigrafía
Ajuste el tamaño, la posición y la orientación de la serigrafía para que los números de pieza queden claros durante el montaje y las pruebas. Los fabricantes suelen imprimir su logotipo o código de fecha. Los diseñadores pueden dejar sus propias notas.
Paso 15 - Exportar archivos de perforación y Gerbers (archivos de trazado)
Después de la colocación, enrutamiento y serigrafía, puede exportar archivos de fabricación. Para Altium, algunos proveedores chinos aceptan archivos de proyecto directamente. Para PADS y Cadence debe exportar archivos de taladrado y Gerbers. Si existen orificios no redondos, exporte también los archivos de fresado para las fresas.
Paso 16 - Proporcionar parámetros de fabricación y notas sobre el proceso
Los archivos de diseño no recogen todos los parámetros. Debe enviar instrucciones de texto para los parámetros y requisitos que no pueden expresarse en los archivos de diseño. Para las opciones que deben especificarse, puede consultar las páginas de pedidos en línea de Philifast (https://flj-pcb.com/).
A continuación se muestran capturas de pantalla con ejemplos de parámetros. Para placas complejas, pueden ser necesarios parámetros adicionales a los mostrados. La creación de prototipos de PCB en línea suele cubrir requisitos más sencillos.
Paso 17 - Ajustes de impedancia y apilamiento
Para señales de alta velocidad, especifique la impedancia característica objetivo. Cuando envíe la señal a la fábrica, diseñe el apilamiento y calcule la anchura y el espaciado de las líneas para la impedancia objetivo. Utiliza los valores calculados para el encaminamiento. Una vez realizado el encaminamiento, facilite a la fábrica el apilado y los objetivos de impedancia. La fábrica comprobará sus materiales y procesos y te dirá si es necesario realizar ajustes y cuál es el error de impedancia esperado. Entonces podrás confirmar si el objetivo es factible. Si no calculas primero la impedancia y eliges el apilado y la anchura al azar, es posible que el fabricante no pueda cumplir los requisitos de impedancia y diafonía.
Paso 18 - PCBA (montaje y soldadura)
Una vez terminados los archivos de PCB y fabricadas las placas, el siguiente paso es el PCBA. Para la producción en serie se utilizan líneas SMT. Para pequeñas series o prototipos, muchas piezas (excepto BGA, grandes placas de masa o piezas 0201 muy pequeñas) pueden soldarse a mano. Para series pequeñas de menos de 10 placas, la soldadura manual puede resultar más barata y rápida que el montaje en línea.
Para el montaje debe exportar y enviar:
- Lista de materiales,
- Fichero Pick-and-place (coordenadas y orientación de la pieza),
- Máscara de pasta Gerber (de la capa pastemask).
Etiquete todas las piezas y envíe listas de piezas y referencias. A continuación, espere a que termine la PCBA.
