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Protocolo para diseño de tarjetas de circuitos en máquina ruteadora
Christian Alberto Ayala Peláez, [email protected] Efraín Augusto Rodríguez Palomino, [email protected]
Trabajo de Grado presentado para optar al título de Ingeniero Electrónico
Asesor: Daniel Felipe Valencia Vargas, Ing. en Electrónica
Universidad de San Buenaventura Colombia Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Santiago de Cali, Colombia 2018
Citar/How to cite (^) [1] Referencia/Reference
Estilo/Style: IEEE (2014)
[1] (^) C. A. Ayala Peláez, E. A. Rodríguez Palomino y D. F. Valencia Vargas, “Protocolo para diseño de tarjetas de circuitos en máquina ruteadora.”, Trabajo de grado Ingeniería Electrónica, Universidad de San Buenaventura Cali, Facultad de Ingeniería, 2018.
Grupo de Investigación Laboratorio de Electrónica Aplicada, (LEA). Línea de investigación en sistemas embebidos.
Bibliotecas Universidad de San Buenaventura
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TABLA DE CONTENIDO
- RESUMEN ……………………………………………………………………………………….
- I. INTRODUCCIÓN
- II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
- A. ANTECEDENTES
- Historia de PCBs según Khandpur [6]
- Estado de la industria de PCBs......................................................................................
- III. JUSTIFICACIÓN
- IV. OBJETIVOS
- A. OBJETIVO GENERAL
- B. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- V. MARCO DE REFERENCIA
- A. CIRCUITOS IMPRESOS (PCBS )..............................................................................................
- B. TIPOS DE PCBS
- Circuitos impresos rígidos
- Circuitos impresos flexibles (FPC)
- Circuitos impresos Rígidos-Flexibles
- C. CLASIFICACIÓN DE PCBS ACORDES A SU NÚMERO DE CAPAS
- Tarjetas de una sola capa (SSBs)
- Tarjetas de doble capa (DBs).........................................................................................
- Tarjetas de múltiples capas (MLB)
- D. TIPOS DE LÁMINA Y SUS CARACTERÍSTICAS
- Lámina de fibra de vidrio (FR-4)
- Lámina fenólica (FR-2)
- Lámina de compuesto epóxico (CEM-1)
- Lámina de compuesto epóxico (CEM-3)
- Características de las láminas
- E. CORTADORAS ( CUTTERS )
- F. M ÉTODOS DE DISEÑO Y DE FABRICACIÓN DE PCBS
- Métodos de diseño
- Métodos de fabricación de PCBs
- G. CODIFICACIÓN DE MÁQUINAS CNC
- H. NORMATIVIDAD INTERNACIONAL PARA EL DISEÑO DE PCBS
- ANSI IPC-2221: Generic Standard on printed board design
- Standard 2) ANSI IPC-7351: Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern
- Boards 3) ANSI IPC-4101: Specification for Base Materials for Rigid and Multilayer Printed
- Formato de señalización de precauciones según (ANSI B11.23-2002)
- I. TRATAMIENTO RESIDUAL Y RECICLAJE DE PCBS
- Tratamiento de residuos en el proceso de fabricación
- Técnicas de reciclaje de PCBs
- VI. METODOLOGÍA
- A. PROTOCOLO DE DISEÑO
- Etapa 1 – Simulación del circuito en CAE
- Etapa 2 – Selección de recursos
- Etapa 3 – Diseño
- Etapa 4 – Fabricación..................................................................................................
- B. DISEÑO DEL TALLER
- Lista de recursos
- Cotización de materiales de diseño
- VII. RESULTADOS
- A. PRUEBAS DE PCBS EN MÁQUINA RUTEADORA FIREBALL M ETEOR
- B. RESULTADO DEL CUESTIONARIO
- C. RESULTADO DE ENCUESTAS
- VIII. DISCUSIÓN
- IX. CONCLUSIONES
- X. RECOMENDACIONES
- XI. REFERENCIAS
- XII. ANEXOS
- A. ANEXO 1. DISEÑO EN PROGRAMA KI C AD
- Creación del proyecto (en KiCad)
- Herramienta Eeschema (Editor esquemático)
- Herramienta CvPcb (asociación componentes y huellas)
- Herramienta Pcbnew (Editor de PCBs)
- Sitio web SnapEda
- B. ANEXO 2. DISEÑO EN PROGRAMA ALTIUM
- KI CAD C. ANEXO 3. V ENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS PROGRAMAS CAD COMO EAGLE , ALTIUM Y
- D. ANEXO 4. M ATRIZ DE DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN CALIDAD (QFD)
- Tabla I. Empresas de fabricación de PCBs LISTA DE TABLAS
- Tabla II. Requerimientos en la disposición de PCBS
- Tabla III Capacidades principales en fabricación de PCBs
- Tabla IV. Parámetros obtenidos para el funcionamiento del prototipo..........................................
- Tabla V. Determinación de metales
- Tabla VI. Características principales de los sustratos más comunes
- Tabla VII. Desventajas en los métodos de diseño y fabricación de pcbs.......................................
- Tabla VIII. Componentes del bloque de programación cnc...........................................................
- Tabla IX. Funciones principales de G-code y M-code
- Tabla X. Valores mínimos para determinar separaciones entre pistas
- Tabla XI. Hoja técnica para distintas láminas bajo la especificación ≥0.78mm
- Tabla XII. Precauciones de seguridad industrial
- Tabla XIII. Recomendaciones preventivas de uso
- Tabla XIV. Técnicas para reciclar sustancias tóxicas
- Tabla XV. Tipos de empaquetado de los circuitos integrados
- Tabla XVI. Tipos de empaquetado de los circuitos discretos
- Tabla XVII. Valores mínimos para determinar separaciones entre pistas
- Tabla XVIII. Características de las láminas más comunes
- Tabla XIX. Características de las fresas de grabado
- Tabla XX. Cables de la máquina Fireball Meteor
- Tabla XXI. Funciones de los botones del control de mando
- Tabla XXII. Cotización de materiales
- Tabla XXIII. Pruebas experimentales de acuerdo a las opciones geométricas de FlatCAM
- Tabla XXIV. Pruebas experimentales para mínimos anchos de pista en la máquina
- Tabla XXV. Herramientas de kicad
- Tabla XXVI. Descripción iconos herramienta superior con Eeschema
- Tabla XXVII. Descripción iconos herramienta derecha con Eeschema
- Tabla XXVIII. Descripción iconos herramienta izquierda con Eeschema
- Tabla XXIX. Lista de atajos de teclado
- Tabla XXX. Descripción iconos herramienta superior con Pcbnew
- Tabla XXXI. Descripción iconos herramienta derecha con Pcbnew
- Tabla XXXII. Descripción iconos herramienta izquierda con Pcbnew
- TablaXXXIII. Opciones Netlist
- Tabla XXXIV. Tipos de capas en Pcbnew
- Tabla XXXV. Ventajas y desventajas de los programas CAD: Altium, Eagle y Kicad
- Tabla XXXVI. Necesidades de la matriz QFD
- Tabla XXXVII. Especificaciones técnicas de la matriz QFD
- Tabla XXXVIII. Matriz QFD.......................................................................................................
- Fig. 1. Máquina ruteadora Fireball Meteor LISTA DE FIGURAS
- Fig. 2. Software EMC2 para Linux CNC
- Fig. 3. Relé de control
- Fig. 4. Máquina ruteadora BUNGARD CCD
- Fig. 5. Tecnología SMT
- Fig. 6. Tecnología PTH
- Fig. 7. Modelo circuito impreso
- Fig. 8. Clasificación de las PCBs
- Fig. 9. PCB de tipo rígido
- Fig. 10. PCB de tipo flexible
- Fig. 11. PCB de tipo flexible con conectores punto a punto
- Fig. 12. PCB de tipo rígido-flexible
- Fig. 13. PCBs de una sola capa
- Fig. 14. Tarjetas con tecnología PTH
- Fig. 15. Tarjetas con tecnología STH
- Fig. 16. Estructura PTH (a)
- Fig. 17. Estructura PTH (b)
- Fig. 18. Interconexión con puentes
- Fig. 19. Interconexión con ojal funnel-flanged
- Fig. 20. Interconexión con ojal split funnel-flanged
- Fig. 21. Interconexión con ojal fused-in-place
- Fig. 22. Vista transversal de una tarjeta multicapa de cuatro capas
- Fig. 23. Tarjeta multicapa de 4 capas
- Fig. 24. Tarjeta multicapa de 8 capas
- Fig. 25. Complejidad en función del costo de las tecnologías de PCBs actuales
- Fig. 26. Tarjeta de doble capa con lámina de fibra de vidrio
- Fig. 27. Lámina FR-2 de una sola capa
- Fig. 28. Prototipo de diseño en lámina CEM-1
- Fig. 29. Lámina CEM-3 de una sola capa
- Fig. 30. Broca ( drill bit ) en acero de alta velocidad.
- Fig. 31. Fresa de acabado ( end mill bits ) en acero de alta velocidad.
- Fig. 32. Fresa de grabado ( engraving bit ) en carburo de tungsteno.
- Fig. 33. Diseño manual de PCBs....................................................................................................
- Fig. 34. Diseño de PCBs en software
- Fig. 35. Estructura de un bloque de programación CNC
- Fig. 36. Capacidad de corriente de conductores de cobre (a)
- Fig. 37. Capacidad de corriente de conductores de cobre (b)
- naranja). Fig. 38. Método gráfico para la determinación del ancho de la pista conductora (ejemplo en
- Fig. 39. Meniscos de soldadura
- Fig. 40. Diseño de huella para un SOIC de ocho-pines
- Fig. 41. Grosor mínimo de los diferentes tipos de dieléctrico
- Fig. 42. Tipos de señalización
- Fig. 43. Etapas del protocolo de diseño de PCBs...........................................................................
- Fig. 44. Simulación del diseño digital
- Fig. 45. Tipo de empaquetado del circuito integrado LM555
- Fig. 46. Tipos de empaquetados del LM555
- Fig. 47. Tipos de empaquetado para resistencia PTH
- Fig. 48. Voltajes y corrientes de operación del circuito
- Fig. 49. Circuito ejemplo de alta diferencia de potencial – convertidor Flyback
- Fig. 50. Gráfica de voltaje del convertidor Flyback
- verde). Fig. 51. Método gráfico para la determinación del ancho de la pista conductora (ejemplo en
- Fig. 52. Ángulo de corte de la fresa
- Fig. 53. Fresa en 'V' disponible en el mercado
- Fig. 54. Desgaste de Fresa en forma de 'V'
- Fig. 55. Fresa de forma triangular con un ángulo de 30° fabricada en carburo de tungsteno.
- Fig. 56. Menú Opciones de página en KiCad
- Fig. 57. Ejemplo de diseño digital..................................................................................................
- Fig. 58. Asignación de huellas a componentes con CvPcb
- Fig. 59. Errores con ERC
- Fig. 60. Editor de Reglas de diseño en KiCad
- Fig. 61. Ejemplo de diseño digital a una sola capa
- Fig. 62. Ejemplo de diseño digital a doble capa...........................................................................
- Fig. 63. Herramienta DRC en diseño a una sola capa
- Fig. 64. Herramienta DRC en diseño doble capa
- Fig. 65. Menú opciones de trazado
- Fig. 66. Software FlatCAM
- Fig. 67. Búsqueda de archivos Gerber
- Fig. 68. Abrir el archivo Gerber
- Fig. 69. Ejemplo de diseño digital en FlatCAM
- Fig. 70. Archivos Gerber a una sola capa
- Fig. 71. Menú de configuración
- Fig. 72. Ejemplo con los ejes adecuados
- Fig. 73. Configuración de parámetros de una PCB
- Fig. 74. Fresado de PCB en escala de 1 (valor por defecto)
- Fig. 75. Configuración de parámetros de ruteo
- Fig. 76. Diseño ruteado con FlatCAM
- Fig. 77. Selección de archivo con parámetros geométricos
- Fig. 78. Configuración de parámetros
- Fig. 79. Configuración de parámetros geométricos
- Fig. 80. Diseño geométrico con FlatCAM
- Fig. 81. Generar G-Code en FlatCAM
- Fig. 82. Instrucción M02 en G-Code............................................................................................
- Fig. 83. Cambio de extensión de .txt a .ngc
- Fig. 84. Imágenes Gerber en espejo
- Fig. 85. Dos huecos agregados para tarjetas doble capa
- Fig. 86. Opciones geométricas para los huecos en doble capa
- Fig. 87. Configuración de archivos Gerber doble capa
- Fig. 88. Medición de ruido con sonómetro
- Fig. 89. Área de trabajo de la máquina Fireball Meteor
- Fig. 90. Área de fresado en una placa de 20 x 20 cm...................................................................
- Fig. 91. Trozos de cinta en placa de 20 x 20 cm de doble capa
- Fig. 92. Placa pegada en el área de trabajo de la máquina
- Fig. 93. Huecos y guías en tarjetas doble capa.............................................................................
- Fig. 94. Ubicación de tornillos en tarjetas doble capa
- Fig. 95. Verificación de la fresa en el taladro
- Fig. 96. Verificación del taladro en la Fireball Meteor
- Fig. 97. Actuador apagado
- Fig. 98. Interfaz software EMC2
- Fig. 99. Abrir G-Code en la barra de herramientas superior de EMC2
- Fig. 100. Selección de archivo en EMC2
- Fig. 101. Diseño de una sola capa en EMC2
- Fig. 102. Visualización de dimensiones en EMC
- Fig. 103. Control de mando Logitech F310
- Fig. 104. Habilitación del conmutador
- Fig. 105. Calibración de la máquina desde el software EMC2
- Fig. 106. Punto inicial de fresado
- Fig. 107. Asignación de ejes en (0,0,0) (a)
- Fig. 108. Asignación de eje X en 0 (b)
- Fig. 109. Giro de taladro
- Fig. 110. Iniciando fabricación en EMC2
- Fig. 111. Grosor de la lámina FR-4
- Fig. 112. Mínimos anchos de pista en la máquina Fireball Meteor
- Fig. 113. Prueba con marcador en hoja de papel
- Fig. 114. Prueba en madera
- Fig. 115. Fabricación de PCB en una capa
- Fig. 116. Prueba n° 1 en tarjetas doble capa
- trasera. Fig. 117. Prueba n° 2 en tarjetas doble capa: imagen izquierda capa frontal, imagen derecha capa
- Fig. 118. Prueba n° 3 en tarjetas doble capa.
- Fig. 119. Pregunta n° 1 del cuestionario
- Fig. 120. Pregunta n° 2 del cuestionario
- Fig. 121. Pregunta n° 3 del cuestionario
- Fig. 122. Pregunta n° 4 del cuestionario
- Fig. 123. Pregunta n° 5 del cuestionario
- Fig. 124. Pregunta n° 6 del cuestionario
- Fig. 125. Pregunta n° 7 del cuestionario
- Fig. 126. Pregunta n° 8 del cuestionario
- Fig. 127. Pregunta A de la encuesta
- Fig. 128. Pregunta B de la encuesta
- Fig. 129. Pregunta C de la encuesta
- Fig. 130. Pregunta D de la encuesta
- Fig. 131. Pregunta E de la encuesta
- Fig. 132. Pregunta F de la encuesta
- Fig. 133. Pregunta G de la encuesta
- Fig. 134. Prueba de PCB en el taller
- Fig. 135. Menú de creación del proyecto
- Fig. 136. Editor esquemático........................................................................................................
- Fig. 137. Atajos de teclado
- Fig. 138. Presentación del esquemático con Eeschema
- Fig. 139. Menú Opciones de página
- Fig. 140. Ejemplo de diseño digital..............................................................................................
- Fig. 141. Ejemplo de diseño análogo
- Fig. 142. Errores con ERC
- Fig. 143. Ventana principal CvPcb
- Fig. 144. Tabla de librerías de huellas
- Fig. 145. Asistente para añadir librerías de huellas......................................................................
- Fig. 146. Editor de placas de circuito
- Fig. 147. Presentación del esquemático con Pcbnew
- Fig. 148. Lista de redes Netlist
- Fig. 149. Menú Reglas de diseño
- Fig. 150. Editor de Reglas de diseño en KiCad
- Fig. 151. Menú de Capas
- Fig. 152. Ejemplo de diseño digital a una sola capa
- Fig. 153. Herramienta DRC en diseño a una sola capa
- Fig. 154. Herramienta DRC en diseño doble capa
- Fig. 155. Simbología de SnapEda
- Fig. 156. Formatos de SnapEda
- Fig. 157. Inicio de proyecto
- Fig. 158. Tipos de proyectos
- Fig. 159. Creación de plantillas
- Fig. 160. Editor de librerías
- Fig. 161. Búsqueda de componentes
- Fig. 162. Ejemplo de diseño digital en Altium
- Fig. 163. Guardar el proyecto.......................................................................................................
- Fig. 164. Comprobación de errores
- Fig. 165. Asignación de nombre de los componentes electrónicos
- Fig. 166. Organización de componentes
- Fig. 167. Comprobación para asignar componentes
- Fig. 168. Adjuntar el área de trabajo de la PCB
- Fig. 169. Importar componentes electrónicos a la PCB
- Fig. 170. Comprobar si no hay pistas ruteadas
- Fig. 171. Ruteo en Altium
- Fig. 172. Configuración del tamaño de pistas (a)
- Fig. 173. Configuración del tamaño de pistas (b)
- Fig. 174. Configuración de perforaciones
- Fig. 175. Corte de PCB
- Fig. 176. Ejemplo de PCB en Altium...........................................................................................
- Fig. 177. Configuración para eliminar el sobrante de la PCB......................................................
- Fig. 178. Origen X Y (0,0) de la PCB
- Fig. 179. Opción para determinar errores en PCB
- Fig. 180. Herramienta de comprobación de errores
- Fig. 181. Generación de archivos Gerber
- Fig. 182. Parámetros para generar el archivo Gerber
- Fig. 183. Gerber en proyecto de Altium.......................................................................................
- Fig. 184. Exportación de archivos Gerber....................................................................................
- Fig. 185. Archivo Gerber generado con extensión .GBL
- Documento 1. Planilla de chequeo LISTA DE DOCUMENTOS
- Documento 2. Diseño del taller
- Documento 3. Cuestionario del taller
- Documento 4. Encuesta de satisfacción de capacitación
PROTOCOLO PARA DISEÑO DE TARJETAS DE CIRCUITOS EN MÁQUINA RUTEADORA 17
RESUMEN
Los avances en el campo de la electrónica en las últimas décadas son innegables y han estado fuertemente ligados al desarrollo de los circuitos impresos (PCB). Prácticamente todo dispositivo electrónico contiene una o más tarjetas impresas. Debido a que los procesos de diseño y fabricación de PCBs de forma manual son generalmente costosos, están propensos al error humano e incluso pueden ser nocivos para el medio ambiente, se hace uso de las máquinas CNC (control numérico computarizado) para evitar dichos inconvenientes optimizando la manufactura y reduciendo los tiempos de fabricación. El correcto uso de las máquinas ruteadoras requiere de la definición de un protocolo el cual será el enfoque de este trabajo. El protocolo se entiende en este caso como una serie de pasos que van desde la concepción original del circuito a diseñar hasta obtener el producto final. Igualmente, se pretende que sirva de instructivo para futuros proyectos de la Universidad. Tras una breve introducción y planteamiento del problema se presenta un amplio marco teórico que abarca diferentes aspectos tales como criterios de diseño, normas de seguridad industrial y técnicas de reciclaje de PCBs. Luego se procede a detallar el protocolo mencionado anteriormente seguido por una descripción de las pruebas llevadas a cabo. Como parte de la investigación, se discute sobre el taller impartido a un grupo de integrantes de la facultad de ingeniería evaluando el resultado a través de una encuesta. En último lugar, se establecen las conclusiones sobre el trabajo realizado.
Palabras clave: archivo Gerber, máquina CNC, PCB, tarjeta de circuito impreso.
PROTOCOLO PARA DISEÑO DE TARJETAS DE CIRCUITOS EN MÁQUINA RUTEADORA 19
I. INTRODUCCIÓN
Este trabajo de grado tiene como objetivo diseñar e implementar un protocolo para el diseño de circuitos impresos (PCBs) con la máquina ruteadora Fireball Meteor , disponible para el uso de los estudiantes de Ingeniería Electrónica de la Universidad de San Buenaventura. El protocolo abarca tanto la simulación del circuito como su fabricación en la máquina, tomando en cuenta las normativas y recomendaciones de seguridad pertinentes. Adicionalmente, se propone un curso teórico-práctico para brindar un acercamiento al protocolo diseñado y tener una interacción directa y guiada con la máquina ruteadora de clase CNC. Este documento detalla los resultados obtenidos durante el desarrollo del proyecto y el taller realizado a un grupo de estudiantes de la facultad de ingeniería.
20 PROTOCOLO PARA DISEÑO DE TARJETAS DE CIRCUITOS EN MÁQUINA RUTEADORA
II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El sector industrial cuenta hoy en día con varios métodos de diseño y de fabricación de PCBs, que son: Diseño manual y diseño asistido a computador (CAD); fabricación por papel transfer , fabricación con serigrafía o screen y fabricación por medio fotográfico o de fotosensibilización.
Estos métodos son muy eficientes para elaborar proyectos, ya que todos ellos (con excepción del diseño manual) poseen programas de computador eficaces que realizan el ruteo de los componentes en tiempos adecuados. Sin embargo, en el proceso de fabricación e implementación de PCBs se presentan algunas desventajas como: altos costos, tiempos largos de envío, y el ataque del químico del percloruro de hierro (FeCl 3 ), ya que éste afecta el medio ambiente.
Con el objeto de obtener el tiempo y costo de fabricación de PCBs, se investigó el día 19 de Julio de 2016 con varias empresas a nivel nacional e internacional el proceso de fabricación de un PCB de diferentes dimensiones y capas. En la búsqueda se ha conservado el material base como de fibra de vidrio. Los resultados obtenidos de esta investigación se muestran en la Tabla I.
TABLA I. EMPRESAS DE FABRICACIÓN DE PCBs
Empresa Domicilio
Dimensión de PCB [cm]
Numero de capas
Tipo de tecnología
Tiempo de fabricación
Costo (sin IVA)
Costo por [$COP/cm^2 ]
Microcircuitos S.A.
Cali (Colombia)
110x38. 1
Sin through hole 10 días hábiles
$210.650 50 25x50 $112.600 90, 110x38. 2
Con through hole
$192.500 45, 25x50 $310.750 248,
Dirty Boards (dirty PCB)
Hong Kong (China)
5x 2
Sin through hole 30 días hábiles
$4.200 168 10x10 $7.500 75 5x 4
Con through hola
$14.400 576 10x10 $20.400 204
Tomado de: Microcircuitos S.A. [1] Microensamble S.A.S. [2] y Dirt Cheap Dirty Boards [3]
