Printed Circuit Board Design Evolution

Printed Circuit Board DesignPrinted Circuit Board DesignPrinted Circuit Board DesignPrinted Circuit Board Design
JLP – Cidein SL
1
1
Jornada "La nueva era del circuito impreso“
JOSE LUIS PERALTA
SALES ENGINEER
5-6-2014

El PCB
Su Evolución
Cambio Tecnológico
Retos - Como afrontarlos Predicciones
Método de Diseño y Nuevas NecesidadesMétodo de Diseño y Nuevas Necesidades
Futuro
Del Esquema al Producto
2

Algunos
reconocerán estos
objetos
Habia una vez…
3

1936 el austriaco, Dr Paul Eisler creó el primer circuito
impreso como hoy lo conocemos a base de cobre
laminado sobre un aislante y un proceso químico
En 1943 Se utiliza en la realización de radios robustas para
el ejercito -Technograph Microcircuits Ltd.-
Hasta 1956 no se empezó a
extender su uso
industrialmente, cuando se
patento el método de la
soldadura automática por ola
Un invento
4

Inicios
60´s Simple cara. Pistas que conectan componentes . TRT y
discretos (taladro pasante THT)
70´s Primeros IC´s y primeros Multicapas
La tecnología del PCB va ligada a las densidades de integración
y a los encapsuladosy a los encapsulados
Tambien a Materiales y Procesos
Evolución
5

Diseño asistido por ordenador (CAD)
En los 70 aparecieron estas herramientas de diseño como
“dibujadores de pistas”
Es una de las llamadas “tecnologías de habilitación “
•Contribuye a mejorar•Contribuye a mejorar
el diseño, el desarrollo
y la fabricación de los
productos
•Capacidad de
guardar, editar y
reutilizar los dibujos
(capas)
1ª Revolución
(capas)
6

Diseño asistido por ordenador – CAD CAE
A finales de los 80 se populariza con los PCs
Reducción en costos de diseño
• Reusabilidad
• Reducción de tiempo
• Reducción de errores• Reducción de errores
• Incremento de la calidad del producto
• Incremento de la productividad
• Automatización de la producción
CAD CAE
7

El Gran Cambio
SMT- (Sufrace Mount Technology), se investigaba en
los años sesenta pero se impulsó durante los años ochenta.
IBM y Siemens sus iniciadores
• Máscaras de soldadura podían aplicarse sobre el circuito y hacer que• Máscaras de soldadura podían aplicarse sobre el circuito y hacer que
ciertos agujeros y pads quedaran al descubierto para afinar con la
soldadura.
• Con cada desarrollo de la tecnología, hay otros cambios que hay de
hacer para equilibrar la progresión.
8
2ª Revolución SMD Complejidad

Del DIL a los High-Density Packaging
Encapsulados y pins
han ido creciendo
continuamente
Las mejoras en el área de la
Encapsulados
Las mejoras en el área de la
superficie de montaje y la
soldadura haya seguido
también la Ley de Moore
9

Expansión del uso de los componentes SMT
Elevado numero de pines
Elevado número de conexiones µVias
Elevado numero de capas
Taladrados muy pequeños
µVias
http://hdihandbook.com/
HDI Handbook Chapter 6: The Manufacturing Processes
10

Flex Circuits - Rigid-Flex
Industria militar y de aviónica
Industria médica
Evolución a Consumo
Teclados, LCDs ,etc…Teclados, LCDs ,etc…
Fiabilidad de conexión
Densidad de conexiones
Dinámica de flexión
Ligeros
Reduce costes de montaje
Circuitos Flexibles
11

Metal Core , MiB
• Integración en el circuito impreso de
dispositivos de potencia
• Mejoras de la θJC de alrededor de 60%
• Los encapsulados están dimensionados
para facilitar el montaje y aumentar lapara facilitar el montaje y aumentar la
disipación
Las tecnologias LED SSL han contribuido a su expansión
MiB
12

Evolucionando
Con el tiempo los chips
han ido aumentando sus
capacidades y
disminuyendo sus
dimensiones internas.
2014
14 nm
dimensiones internas.
desde las µ a los nm.
Es necesario disminuir la
tensión de alimentación
de los CIs.:5V, 3V3…,
1V2
Disminuye el margen
13
Margen de ruido
Disminuye el margen
de ruido y con ello la
inmunidad a las
interferencias EM

1. SCSI Ultra 320 MB/s (2,560 Gbit/s).
2. ETHERNET 100G
3. LVDS 800Mbps
4. DDR4 (2400 Mb/s) 667 MHz a1.6 GHz
Simultáneamente las velocidades han crecido
espectacularmente
clock speed
peed
4. DDR4 (2400 Mb/s) 667 MHz a1.6 GHz
5. USB 3.0. 4.8 Gbps clk 250-MHz
6. SAS 300, 12 Gbit/s,
7. HDMI 2.0 6 Gb/s clk 600 Mhz
8. SATA III 6 Gb/s 6GHz
9. Thunderbolt (Apple) 10 Gbps
Transferencia
14
Velocidad
c
bus speed
Reloj2013 Intel® Core™ i7-4960X 4000Mhz

Conectores de Alta Densidad
Hasta 80 pares diferenciales por pulgada . Velocidades hasta 25 Gbps.
15
Conectores de Alta Densidad

La complejidad crece exponencialmente
El número de pines en un
diseño se ha triplicado y el
número de conexiones de pin anúmero de conexiones de pin a
pin se ha duplicado
En los últimos 23 años se
Complejidad
16
En los últimos 23 años se
observa un Factor 4-5 x.

Miniaturización
• Las reducciones lo han sido en todos los ejes, y en
el PCB esto es muy significativo
Dimensiones
Espesor de los teléfonos inteligentes
17

Al igual que la electrónica el soporte ha ido evolucionando
Materiales y procesos son ahora una
tecnologia efervescente
Sustratos
18

En definitiva esto se ha complicado muchísimo
El PCB forma parte del circuito
Sus características afectan al funcionamiento
> 1Kipns
PCB actual
19
Las pistas,vias, pads, o pines tienen efectos eléctricos y térmicos

Cambio tecnológico
Hoy se exigen multitud de parametros
Design rules que afectan al emplazamiento, al
trazado y al resultado
Aspect ratio ,ancho min, separaciones , pads
Tipo y Niveles de vias,
Copper balance Relleno de planos
Longitud maxima,
Paralelismo ,Crosstalk
Impedancias
Desacoplos
Inductancias
_____ __________Cambio Tecnológico
Inductancias
Corrientes. Potencias
Aislamientos .....
20

El desafío de diseño de PCB es la complejidad
Librería y LayoutIngeniería
Fabricante PCB
CAMBIOS
DFM
21
“Pensar desde el inicio en la fabricación y el montaje”

Como afrontar el desafio :
Conocimientos y experiencia
Herramientas
Procedimientos
Comunicación
Las claves

“La Información adecuada, en el Formato
adecuado, a la Gente adecuada, en el Momento
adecuado”.
Tenemos montones de
datos , pero ¿tenemosdatos , pero ¿tenemos
la INFORMACION
adecuada?
Cuidado, la informacion
viaja a la velocidad de
la luz (Internet),y
“DATOS”
la luz (Internet),y
requiere
Sincronización
23

Informe: “Why Printed Circuit Board Design Matters to the Executive”:
Report from the Aberdeen group - Disponible en: mentor.com
Los PCB son un activo estratégico
24
Los PCBs Son un activo estratégico para la reducción de costes
Representan un 31 % del coste . Pero demostrar el valor de una placa
con una gran cantidad de componentes no es tan sencillo

Su Gestion es un desafio desde el punto de
vista de costes .
Estrategias de mejora del diseño del PCB
COMUNICACIÓN
PREDICCION
ANÁLISIS
DFM-DFA
Como mejorar
25
La identificación temprana de los problemas potenciales de
diseño y fabricación es fundamental

El coste de una modificación
VIGILAR
Cumplimiento de especificaciones
Disponibilidad de los componentes
Factores conexion entre el diseño y
la fabricación.
Especificaciones fabricación y montaje
El coste se multiplica por 10 en cada
estado
Especificaciones fabricación y montaje
de PCB
Costes asociados
26
estado

Entre el 75 - 90% de los costes del producto
son determinados durante el primer
7 - 8 % del tiempo de desarrollo
INFLUENCIA
en Coste en Producto
Diseño 5% 70%
Materiales 50% 20%
Manufactura 15% 5%
Determinación de costes
Manufactura 15% 5%
Logist & Distribucion 30% 5%
27

DFP “design for profitability”
El diseñador ha de predecir los costes
Funcionalidades necesarias
ComponentesComponentes
Encapsulados
Tecnologia de pcb, capas, vias,clase
Puntos de test
Extras?
Costes asociados
Fabricación – Reparación
Costes incurridos
28

La disponibilidad de la INFORMACIÓN ADECUADA
es clave para el éxito de los proyectos
Que necesitamos ?
◦ Mecánica Formas y Restricciones
◦ Tecnologia necesaria◦ Tecnologia necesaria
Tipo de placa
Fabricante
Restricciones montaje
◦ Componentes
◦ Aislamientos
◦ Disipaciones
◦ Tipos de Conectores
◦ Bloques funcionales
Información
◦ Bloques funcionales
◦ Señales críticas
◦ Potencias
29

Revisión del Diseño
Creación Geometrías
Set up reglas de trazado
Emplazamiento
Calculo del stack up
Tablas CES (constraints)
LAYOUTLAYOUT
Tablas CES (constraints)
Trazado Potencia y Analogico
Predicciones
Rutaje pistas criticas
Rutaje del resto
Interacciones ,“matching”
Rellenos de planos
Acabados y Serigrafias
Proceso del diseño de LAYOUT
Acabados y Serigrafias
Generacion CAM, “Gerbers”
Documentación
30

Contorno, Areas prohibidas,
alturas limitadas, aislamientos,
sujecciones …
La Insercion de puntos de test
también requiere de untambién requiere de un
posicionado compatible
Previsión de todos los
elementos
Cajas, Conectores, refrigerantes,
situación de pilotos, potenciometros
o sensores.. Y otros TBD
Planos DXF
Necesidades físicas
o sensores.. Y otros TBD
Es necesaria la Previsión de todos los
elementos
31

Intercambio entre CAD eléctrico y CAD
mecánico. Ficheros STEP
Zonas de paso obligado y prohibido, ubicaciones de los
principales componentes y alturas máximas
Mecánica
32

El símbolo esquemático y su huella del layout
representan el núcleo de cada modelo de componente
Son la base del diseño
físico (layout) y de una
gran trascendencia en su
éxito.éxito.
DATA SHEETS
Librerias
33

Los pads son muy
importantes
Efectos colaterales
Geometrias, Huellas y montaje
34

IPC (Institute for Printed Circuits)
IPC2220 Normas basicas del diseño PCB
IPC-A-600 Acceptability of Printed Boards
UL Standard for Safety for Information Technology
Equipment, UL 60950Equipment, UL 60950
• Son los estándares de la industria ,
pero hay otras
• Estándares de Diseño, Fabricación,
Montaje y Test
• Normas Seguridad Eléctrica
• Normas Particulares
Estándares y Normas
35
• Normas Particulares

Un buen diseño
comienza con un
buen Esquema!
40 MHz
C1
0.1uF
U1
+5V
R6
301
S1
C4
2.2uF
+5V
40 MHz
OSC Out
Must be right at
op amp supply
pins
Put C4 and C7 on
back of board
right under the
power supply pin.
Run 40MHz traces on bottom
Place this cap right at pin 14 to digital ground
+
AD590
ADP667
Linear Regulator
Temperature
Sensor+12V
+5
V
VOUT
R3
562 ADA4860-
1
-
+
Linear Regulator
-12V
5V
+ +
-5V
R4
210
C5
0.01uF
R5
562
C2
SAT
C3
SAT
C6
0.01uF
C7
2.2uF
U2
U3
U4
U5
D1
1N4148
D2
1N4148
VIN
VOUT
C8
10uF
Case
size
1210
C9
0.01
uF
C11
0.1uF
C12
10uF
Case
size
1210
Must be right at
op amp supply
pins
-5V
+5
V
+5V
R2
50
R7
50
R8
1K
Run 40MHz traces on bottom
of the board ensure signal
trace is the same length
40 MHz
OSC Out
+5V
R1
1K
FREQUENCY ADJUST
1.0 C2=C3, use these 2 capacitors to adjust the -3dB BW
1K
Derating Table
R1
R2
R3
C1
C2
C3
U1
U2
VALUE
1
2
3
4
5
6
7
8
62mW 10mW
ITEM REF DES ACTUALRATING
+
See critical component placement
drawing for location
• Jerarquizado por bloques
• Notas que incluyan
información
Situación de los componentes críticos
Líneas de impedancia controlada
Cuestiones térmicas . etc
El esquema
-5V
++
U5
C13
10uf
Case
size
1210 C14
0.1uF
C15
0.1uF
C16
10uF
Case size
1210
2.0 All Resistors in ohms unless noted otherwise.
3.0 All capacitors in pF unless noted otherwise.
6.0 U1 SOIC-14, U2 SOT-23-6, U3, SOIC-8, U4 SOIC-8
0.062"
Signal 1
Analog Ground 1
Digital Ground
Power plane
Analog Ground 2
Signal 2
BOARD STACK UP
1.0 All resistors and capacitors are 0603 case size unless noted otherwise.
4.0 Run analog traces on Signal 1 layer, run digital traces on Signal 2 layer
NOTES:
5.0 Remove ground plane on all layers under the mounting pins of U2
36

BOM
La lista de materiales (BOM)
es el elemento más crítico en
la definición de lo que
producción debe hacer para laproducción debe hacer para la
fabricación de un producto.
Lo que termina siendo es un
fichero manipulado y
corrompido tras numerosas
manipulaciones.
La lista de materiales (BOM)
37

Cuantas capas?
Esta es la pregunta más frecuente
◦ El coste de fabricación del PCB es una consideración
clave, sin embargo el verdadero ahorro puede estar
en evitar otros problemas
No existe una calculadora para calcular el número deNo existe una calculadora para calcular el número de
capas del PCB.
◦ Es necesario hacer un “planning”
◦ • ¿Cuántas señales de E / S requiere la aplicación ? Conectores
◦ • ¿Que encapsulados lleva?
◦ • ¿Hay pistas de potencia?
◦ • ¿Cómo prevenimos la EMC?
Al revisar los encapsulados , los requisitos de
densidad E / S de señal y paso del diseño , y las
Tecnología necesaria
Al revisar los encapsulados , los requisitos de
densidad E / S de señal y paso del diseño , y las
restricciones de fabricación del PCB , se pueden
sopesar las ventajas y desventajas entre las
decisiones de diseño
38

Evaluación
Los parámetros críticos son el fanout de ciertos componentes
(BGA, conectores o FPGA) y el área disponible para el transporte
de señales a una dirección o área determinada
◦ Considerar de los planos de alimentación
◦ Previsión de colocación de los componentes◦ Previsión de colocación de los componentes
1er paso Colocar los componentes más densos
Análisis
39

Cabe?
Esta es la segunda pregunta
DEPENDE
Tampoco hay calculadora, tenemos un
“Predictor”“Predictor”
◦ Físicamente ha de caber
◦ El uso de dos caras no multiplica
por dos la superficie
◦ Las areas prohibidas cuentan
Espacio,restricciones
40

La Densidad de la placa se puede
medir en varios métodos
• IC Equiv
• Numero de componentes
• Numero de pines
La relación de pines por
componente es también
• Numero de pines
• Numero de conexiones
• AREA de la placa
• Las caras de montaje
Densidad
41
componente es también
importante

A partir de estos análisis podemos saber la “clase”
Las reglas establecen
la base del rutado
Reglas
Anchos
Vias
Coronas
Aspect ratio
Reglas de diseño
Aspect ratio
Simetrias
42

vias ,pistas , corona y distancias entre ellas están
relacionados y determinan la clase
•Las tecnologias con micro via han dejado
Fanout , Anchos y separaciones
43
43
•Las tecnologias con micro via han dejado
un poco al margen este requisito
•Todos los fabricantes de chips VLSI
proponen fanouts de salida

Un circuito impreso multicapas se fabrica
esencialmente con 3 materiales
Elección del PCB
44

Cada placa tiene una estrategia adecuada
◦ Ubicación de cada parte o bloque
◦ Área adecuada de los componentes de potencia
◦ La separación de masas
◦ Separar pistas ruidosas y pistas sensibles
Floorplanning
45

Fase más crítica y se debe dedicar tiempo
suficiente.
1. Componentes fijos
2. Donde y como colocar los componentes principales
3. Observar las pistas mas largas
4. Se puede evaluar la dificultad del trazado
5. Escoger la estrategia de fan-out
Placement
46

Una parada necesaria
A partir de ahora los cambios van a suponer más
esfuerzo.
Tiempo de revisión
47

Las pistas forman parte del circuito
La calidad de señal depende tanto de las características de la
pista de señal como en el camino de retorno.
Cualquier cambio en la impedancia de una señal que se
propaga por la red provocará un reflejo y distorsión
Cada fuente de problema de integridad de señal será unaCada fuente de problema de integridad de señal será una
fuente de EMI
L= 25.4mm
W = .25mm
El trazado es fundamental
48
H = .035mm (1oz copper)
Strip Inductance = 28.8nH
A 10MHz ZL = 1.86 ΩΩΩΩ 3.6% error in a
50ΩΩΩΩ system

Tablas : Una pieza clave y tediosa
Permitirá destacar y seleccionar cada grupo de
señales
49
Constraints Editor System- Classes

Calculo stack up
El espacio entre capas determina la
factibilidad, así como el coste de los
procesos requeridos para la fabricación
Aquí se usa una
calculadora.
Lo determinan
varios factores
pero el principal es
Stack up
50
pero el principal es
la impedancia que
debe conseguirse

Stack Up Soluciones multiples
51

La forma en que un circuito se ruta es
fundamental para su EMC
Proporcionan un camino de retorno de alimentación
de baja impedancia.
◦ No deben mezclase◦ No deben mezclase
◦ No deben cortarse
Planos y alimentaciones

La áreas Analógicas y de RF requieren una
especial atención
Planos
Delimitar zonas analógicasDelimitar zonas analógicas
y digitales
Separar los planos
(analógico , digital ,
potencia )
Guardas
Cosidos de vias
Areas analógicas
53
Cosidos de vias

Trazado por Zonas
• Alimentaciones
• Partes analógicas
delicadasdelicadas
• Los Buses primero
• Las pistas mas largas
• Se trazan la pistas
mas delicadas
• Swapping
54
Trazado
•Se acaba con el resto

Cuidar todos estos detalles
es importante
Grounding Vias
Igualado de pistasIgualado de pistas
Las restricciones y recomendaciones de trazado
son múltiples
y algunas veces
contradictorias
Afinados del trazado
contradictorias
“Ponme unas stitching”
Solo los necesarios.
55

También debe prestarse atención particular a la
conductividad térmica del PCB
En SMT la conducción es el mecanismo principal de la gestión
térmica. Puede llegar a ser crítica en muchas aplicaciones
También para asegurar la calidad de la soldadura
Necesidades térmicas
56

AUTOROUTER El gran mito del Layout
• Se utilizan de “pruebas”
• Set rules laborioso con las placas actuales
El trazado interactivo “Push and Shove” facilita mucho el
Autorouter
57
El trazado interactivo “Push and Shove” facilita mucho el
trazado manual
Usted es más inteligente que el software autorouter

“Eleganteo”
Ajustes y limpieza
Largos de pistaLargos de pista
Puntos de test
Vías innecesarias
Equidistancias
Serigrafías
Cleanup
58

Verificador de reglas DRC
La Verificación incluye:
Separaciones, pistas , pads ,taladros, conectividad de nets,
duplicados , conectividad capa a capa, violaciones de reglas de
diseño, cobertura de mascaras , vías y pads térmicos etc
Estas herramientas son clave en la detección de errores dada laEstas herramientas son clave en la detección de errores dada la
complejidad de los circuitos
DRC
59

A la salida de todo están los
ficheros de fabricación
“los Gerbers”
Extended Gerber,EIA RS-274D
- Capas de Layout
– Silkscreen
– Solder Mask
– Solder Paste
– Fabrication Drawings
– Assembly Drawings
Extended Gerber,EIA RS-274D
IPC-2581A
– Assembly Drawings
– Aperture Files
– Drill Files
– Netlist
– X-Y Placement
Manufacturing Files
60

Un “placón”·
Las placas son mas pequeñas y mas densas
Cambio de paradigmas
61
Las placas son mas pequeñas y mas densas
soportando un mayor número de interconexiones
a mucha mayor velocidad.

Notables avances en Encapsulados 3D
El rendimiento del encapsulado jugará parte importante en el
éxito global del producto
PKG 3D
62

Notables avances en miniaturizacion
microminiaturizacion
63
01.005. µBGA 64 pines paso de 300 µm
005.0025

Componentes
Paso aún más pequeño que el actual
Paso mas estrecho
64

Progreso de la tecnologia Chip Embedding
Proyecto HERMES
Chip Embedding
Tecnologia en desarrollo
Chip Embebidos
65
Para altos volúmenes de Producción
Automoción
Potencia

Resistencias de
terminación
Tecnologia de componentes embebidos
terminación
Capacidades de
Desacoplo
Componentes Embebidos
66

Optical PCB
PCB híbrido con capas de señales ópticas y eléctricas
Fibra óptica integrada.
IEC 62496-2 “General Guidance for Test and Measurement for
Optical Circuit Boards” (Draft)
Optical PCB (FO)
67

La placa del futuro
◦ Innovación es la regla
Nuevas formas de interconexión
68

Herramientas de análisis
◦ Integridad de la señal
◦ Análisis térmico
Herramientas de ayuda
69
La tendencia es el trabajo en grupo.
Codesign. Colaborate . Grupos especializados

Diseño COLABORATIVO
La tendencia es a desarrollar globalmente , con grupos de
trabajo de alta especialización. Involucrar a todos lo más pronto
posible en el proceso
Serie
Diseño Colaborativo
70
Paralelo
Potencia soluciones optimas (grupo)

Que es lo que se lleva hoy?
IPC World Production by Board Type -2012
• Standard Multi-Layer 38.0%
• HDI Microvia 14.6%• HDI Microvia 14.6%
• IC Substrates 13.2%
• FR-4 Glass Epoxy 11.2%
• Flexible Circuits 10.3%
• Rigid Flex 5.2%
• Paper & CEM-1 2.8%
• CEM-3 2.4%
• Metal Core 0.3% 14% > 1Ghz
Tendencias
71
• Metal Core 0.3%
•(esto crecerá mucho con la proliferación del SSL)
14% > 1Ghz

Desde hace + de 50 años esta tecnología se ha
adaptado a las necesidades.
Nuevos tipos de PCBs permiten disponer de tecnologías
adecuadas para nuevos productos.
El PCB forma hoy parte intrínseca del diseño y sus
características influyen en el funcionamiento y la
El PCB forma hoy parte intrínseca del diseño y sus
características influyen en el funcionamiento y la
fiabilidad.
Los requerimientos en el PCB son cada vez más
exigentes y requieren especialización.
El mercado exige todavía mayor integración y
miniaturización.
Los PCB son un activo estratégico para la reducción de
costes y un menor tiempo de lanzamiento al mercado.
Los PCB son un activo estratégico para la reducción de
costes y un menor tiempo de lanzamiento al mercado.
El diseño requiere compartir información desde el
primer momento y sincronizarla.
Resumen
72

Cuando :
El diseño implica nuevas tecnologias que no son
conocidas o hay poca experiencia
Se necesitan recursos humanos extra trabajando
en el proyectoen el proyecto
Se necesita más tiempo para
llegar al plazo especificado
Se desea optimizar el tiempo
dedicando recursos a otras
actividades .
Corolario
El Outsourcing de PCB
hará ganar tiempo y dinero
73

Preguntas?
MUCHAS GRACIAS
74

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