Desde prototipos de circuitos en placas de pruebas hasta diseñar los nuestros placa de circuito impreso (PCBS), it was like getting off the training wheels. There’s a lot to learn about this process, so let’s get started. El diseño de PCB se lleva a cabo en un proceso de ingeniería eléctrica (EE). EE crea el “cerebro” de cómo funcionan los dispositivos. Without electronics, you’re left with little more than a pile of metal and plastic.

Cosas que debe saber antes de comenzar con el diseño de PCB: 1. Tamaño de PCB: esto depende del tamaño de su producto (o del tamaño de la caja). Las dimensiones del producto se definen durante el proceso de diseño de ingeniería electrónica. Puedes ver un video al respecto aquí. 2. Capas de PCB: cuantas más capas, más compleja es la FABRICACIÓN de PCB. (Nota: Incluso una PCB de una sola capa puede ser una PCB compleja, pero aquí estamos hablando de la complejidad de hacer una PCB. Cuantas más capas tenga una PCB, más costosa será de fabricar).

La capa 2 se usa generalmente para productos de juguete simples

Los productos relacionados con IOT suelen tener 4 capas

Typically used for floors 6 to 8 of a smartphone or smartwatch.

3. Los requisitos del fabricante de su PCB. Be sure to read the guidelines for rhythm, trace size, power isolation, and file naming before you start designing.

Información que debe proporcionar a los fabricantes de PCB:

Número de capas (por ejemplo, 2, 4, 6, etc.)

Materiales (FR-2 (papel de algodón fenólico), FR-3 (papel de algodón y epoxi), FR-4 (fibra de vidrio y epoxi … etc.)

Thickness (0.5 mm, 1.0 mm… etc.)

Color (red, black, green… etc.)

Tratamiento de superficies (ENIG (inmersión química en níquel / oro), DIG (inmersión directa en oro), OSP (conservantes orgánicos soldables, etc.)

Peso de cobre (1 oz (35 micrones), 2 oz (70 micrones), 0.5 oz (18 micrones) … etc.)

Archivo Gerber

Proceso de diseño de PCB:

Diseño de circuito

For this step, you need to create the schematic. Este es un documento, como un plano, que describe cómo los componentes se relacionan entre sí y funcionan juntos. Para crear el archivo de esquema, necesitará una herramienta de software. Nos gusta Quadcept porque está optimizado para diseñar PCBS para la fabricación (por ejemplo, puede exportar una lista de materiales (BoM) directamente desde la herramienta) y está basado en la nube, por lo que se puede usar fácilmente en cualquier lugar. (También ofrecen una versión comunitaria gratuita de la herramienta para fabricantes y estudiantes).

Hay muchas otras opciones entre las que puede elegir:

Altium

ExpressPCB

Dispositivo de frecuencia

KiCad

Cadencia allegro

estera

Diseño asistido por ordenador

DipTrace

After you install the selected tools, you need to obtain the component specifications for each selected component. They can often be found on the supplier’s website. El archivo del modelo le ayudará a dibujar el esquema. Este componente está disponible en la base de datos cuando carga el modelo en la herramienta de software. Luego, todo lo que tiene que hacer es seguir el manual de datos y conectar el cable a cada pin del componente. (Nota: los detalles del proceso de diseño dependerán de la herramienta de software elegida).

Each schematic symbol needs to have an associated PCB space area to define the physical dimensions of the component and the location of the through holes on the brazing pad or PCB. You should have selected the components (or are now selecting them), and we describe this process in the EE Design Process video (see video).

Diagrama de ejemplo

A good schematic is really important, as it will be used as a reference document during debugging and is a good communication tool with other engineers. Además, el fabricante puede probar el dispositivo a través de los puntos de prueba en este documento.

Diseño de PCB + archivo Gerber

To design the PCB layout and create Gerber files, you can use the same software tools we mentioned in circuit design. A diferencia de un esquema, un diseño de PCB asigna los componentes reales a ubicaciones exactas en el PCB y muestra las pistas que conectan cada componente entre las capas de PCB. Como se mencionó al principio de este artículo, cuantas más capas, más compleja será la fabricación requerida y mayor será el costo.

Divide the PCB into logical parts based on functions (e.g. power supply, audio output, etc.). Luego, asegúrese de agrupar los componentes de cada sección en la misma área. De esta forma, puede mantener la traza conductiva corta y reducir el ruido y las interferencias.

La interfaz de usuario (UI) también debe tenerse en cuenta al diseñar una PCB. Es necesario ajustar componentes como tomas de audio, conectores, leds, etc. para lograr la mejor experiencia de usuario.

Una vez diseñado el diseño, se genera un archivo Gerber. El fabricante de su PCBA utilizará este archivo. Hay muchas empresas que ofrecen estos servicios, y de la biblioteca de expertos de HWTrek recomendamos Kingbrother, NexPCB y HQPCB.

Sample Gerber files

La ubicación de los componentes en la PCB es muy importante. Algunos componentes pueden interferir entre sí y provocar un comportamiento inesperado. Por ejemplo, si tiene módulos Bluetooth y Wi-Fi, tienen el mismo ancho de banda de 2.4ghz y pueden interferir entre sí si se colocan incorrectamente.

Producción de PCB

Cuando envía el archivo Gerber al fabricante de PCB, pueden imprimir la placa. Esta será la base para seguir construyendo la base para agregar componentes a la PCB y fabricar el PCBA (conjunto de placa de circuito impreso).

PCBS sin ensamblar

PCBA (montaje)

Preparación del material

En este punto de su diseño EE, debería haber seleccionado los componentes. You can ask the PCBA manufacturer to order the required components for you, or do it yourself if you choose a supplier. Asuntos que requieren atención:

Lead time: As these components come from different suppliers, keep the lead time in mind. For some components, it can take up to 8-16 weeks.

Embalaje: solicite componentes de bobinas que las máquinas SMT recogen automáticamente en lugar de embalarlos individualmente.

Cantidad mínima de pedido: Verifique la cantidad mínima de pedido del componente. Si compra menos del mínimo, asegúrese de que los componentes seleccionados estén en stock. For small batches (up to 50), you can order online from DigiKey or Mouser. Para obtener más cantidades, consulte con su fabricante.

Pérdida: Ordene un 10% más para cubrir la pérdida (no para componentes costosos)

Instale componentes en la PCB

Hay dos formas principales de colocar componentes en una superficie de PCB:

Through-holes (through-holes) are manual methods of assembling assemblies with wires into holes on the surface of a PCB. También se conoce comúnmente como DIP o proceso de empaquetado dual en línea. (Ver SMT en progreso en este video)

SMT (tecnología de montaje en superficie) es el método más utilizado en la producción en masa. Se realiza mediante máquinas SMT rápidas y precisas que le permiten ahorrar tiempo, dinero y evitar errores humanos.

Cosas para recordar:

Su número de tipo de componente no debe exceder el número de carretes que la máquina SMT del fabricante puede admitir.

Optimice y consolide sus componentes para que solo se ejecute un SMT.

Verifique los tamaños de almohadilla de huella admitidos por el fabricante. De lo contrario, la máquina SMT no instalará los componentes correctamente.

Algunos componentes más grandes no se pueden instalar a máquina y aún requieren trabajo manual de orificios pasantes. Por tanto, ambas tecnologías se pueden utilizar en la misma placa.

Cualquier componente que necesite agregar manualmente a través del método de orificio pasante se suma al costo de fabricación.

Soldadura por reflujo

La soldadura por reflujo es el proceso de hacer que los componentes se “peguen” a la PCB. El PCBA calienta la placa de circuito a través de un horno de reflujo o una lámpara de infrarrojos hasta que la soldadura se derrita, fijando así permanentemente el componente a la placa de circuito.

La parte más complicada aquí es no sobrecalentar o dañar los componentes, porque las características térmicas de cada paquete son diferentes. Un fabricante confiable de PCBA será responsable de este proceso, y todo lo que necesita hacer es proporcionarles las especificaciones de los componentes.

Proceso de reflujo.

Otros métodos de soldadura:

La soldadura por ola se utiliza principalmente para componentes agregados manualmente mediante el método de orificio pasante. En este caso, su PCBA pasará primero por el horno de soldadura por reflujo y luego agregará manualmente otros componentes después de pasar por la máquina de soldadura por ola.

La soldadura de hierro se puede utilizar para situaciones específicas, pero no para la producción en masa.

Pruebas e inspección de calidad

En este paso, las muestras de PCBA se prueban para garantizar la calidad. Los errores comunes son: cortocircuitos en componentes desconectados, componentes desalineados y partes del circuito que no deben conectarse. Las pruebas más comunes:

TIC (pruebas en línea). When designing a PCB, some test points are usually reserved for debugging, programming, and other purposes. La máquina ICT utilizará estos puntos de prueba para pruebas de circuito abierto / cortocircuito y comprobará que los valores de los componentes pasivos (resistencias, inductores, condensadores) estén dentro del rango de especificación.

AOI (inspección óptica automática). Manufacturers use a “gold sample” (reference PCBA) to compare with other samples. Para esta prueba, el creador de hardware deberá proporcionar especificaciones y tolerancias al fabricante para establecer los parámetros.

Rayos X El fabricante de PCBA utilizará rayos X para verificar las condiciones de soldadura de los componentes BGA (Ball Grid Array). Vea la prueba de rayos X en este video.