Protocolo para diseño de tarjetas de circuitos en máquina...

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

mailto:[email protected]

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.

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Agradecimientos

Agradecemos en primer lugar al Ingeniero Daniel Felipe Valencia por su apoyo y dedicación a lo

largo de este proyecto. Además, queremos rescatar el papel del Ingeniero Oscar Casas quien

propuso la temática de este trabajo de grado y contribuyó a la elaboración del anteproyecto.

Finalmente, consideramos que vale la pena mencionar al Ingeniero Raúl Melo de la Universidad

Autónoma de Occidente quien nos sirvió de consultor en lo referente a la fabricación de PCBs en

Colombia

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN……………………………………………………………………………………….17 I. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 19

II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................... 20

A. ANTECEDENTES ................................................................................................................... 24

1) Historia de PCBs según Khandpur [6] .......................................................................... 24

2) Estado de la industria de PCBs ...................................................................................... 29

III. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................ 34

IV. OBJETIVOS ..................................................................................................................... 36

A. OBJETIVO GENERAL ............................................................................................................. 36

B. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................................... 36

V. MARCO DE REFERENCIA .......................................................................................... 37

A. CIRCUITOS IMPRESOS (PCBS) .............................................................................................. 37

B. TIPOS DE PCBS ................................................................................................................... 40

1) Circuitos impresos rígidos ............................................................................................. 40

2) Circuitos impresos flexibles (FPC) ................................................................................ 41

3) Circuitos impresos Rígidos-Flexibles ............................................................................ 42

C. CLASIFICACIÓN DE PCBS ACORDES A SU NÚMERO DE CAPAS .............................................. 43

1) Tarjetas de una sola capa (SSBs) ................................................................................... 44

2) Tarjetas de doble capa (DBs) ......................................................................................... 45

3) Tarjetas de múltiples capas (MLB) ................................................................................ 49

D. TIPOS DE LÁMINA Y SUS CARACTERÍSTICAS ......................................................................... 52

1) Lámina de fibra de vidrio (FR-4) ................................................................................... 52

2) Lámina fenólica (FR-2) .................................................................................................. 54

3) Lámina de compuesto epóxico (CEM-1) ........................................................................ 55

4) Lámina de compuesto epóxico (CEM-3) ........................................................................ 55

5) Características de las láminas ....................................................................................... 56

E. CORTADORAS (CUTTERS) .................................................................................................... 57

F. MÉTODOS DE DISEÑO Y DE FABRICACIÓN DE PCBS ............................................................. 59

1) Métodos de diseño .......................................................................................................... 59

2) Métodos de fabricación de PCBs ................................................................................... 61

G. CODIFICACIÓN DE MÁQUINAS CNC ..................................................................................... 64

H. NORMATIVIDAD INTERNACIONAL PARA EL DISEÑO DE PCBS .............................................. 67

1) ANSI IPC-2221: Generic Standard on printed board design ........................................ 68

2) ANSI IPC-7351: Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern

Standard ................................................................................................................................. 72

3) ANSI IPC-4101: Specification for Base Materials for Rigid and Multilayer Printed

Boards .................................................................................................................................... 73

4) Formato de señalización de precauciones según (ANSI B11.23-2002) ......................... 76

I. TRATAMIENTO RESIDUAL Y RECICLAJE DE PCBS ................................................................ 79

1) Tratamiento de residuos en el proceso de fabricación .................................................. 79

2) Técnicas de reciclaje de PCBs ....................................................................................... 80

VI. METODOLOGÍA ............................................................................................................ 83

A. PROTOCOLO DE DISEÑO ....................................................................................................... 83

1) Etapa 1 – Simulación del circuito en CAE ..................................................................... 84

2) Etapa 2 – Selección de recursos .................................................................................... 92

3) Etapa 3 – Diseño ............................................................................................................ 96

4) Etapa 4 – Fabricación .................................................................................................. 123

B. DISEÑO DEL TALLER .......................................................................................................... 142

1) Lista de recursos .......................................................................................................... 151

2) Cotización de materiales de diseño .............................................................................. 152

VII. RESULTADOS ............................................................................................................... 153

A. PRUEBAS DE PCBS EN MÁQUINA RUTEADORA FIREBALL METEOR .................................... 153

B. RESULTADO DEL CUESTIONARIO ....................................................................................... 160

C. RESULTADO DE ENCUESTAS .............................................................................................. 164

VIII. DISCUSIÓN .................................................................................................................... 169

IX. CONCLUSIONES .......................................................................................................... 173

X. RECOMENDACIONES ................................................................................................ 176

XI. REFERENCIAS ............................................................................................................. 177

XII. ANEXOS ......................................................................................................................... 185

A. ANEXO 1. DISEÑO EN PROGRAMA KICAD .......................................................................... 185

1) Creación del proyecto (en KiCad) ............................................................................... 186

2) Herramienta Eeschema (Editor esquemático) ............................................................. 186

3) Herramienta CvPcb (asociación componentes y huellas) ........................................... 195

4) Herramienta Pcbnew (Editor de PCBs) ....................................................................... 197

5) Sitio web SnapEda ........................................................................................................ 209

B. ANEXO 2. DISEÑO EN PROGRAMA ALTIUM ........................................................................ 210

C. ANEXO 3. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS PROGRAMAS CAD COMO EAGLE, ALTIUM Y

KICAD ....................................................................................................................................... 231

D. ANEXO 4. MATRIZ DE DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN CALIDAD (QFD) ................................ 232

LISTA DE TABLAS

Tabla I. Empresas de fabricación de PCBs .................................................................................... 20

Tabla II. Requerimientos en la disposición de PCBS .................................................................... 31

Tabla III. Capacidades principales en fabricación de PCBs .......................................................... 32

Tabla IV. Parámetros obtenidos para el funcionamiento del prototipo .......................................... 35

Tabla V. Determinación de metales ............................................................................................... 46

Tabla VI. Características principales de los sustratos más comunes ............................................. 56

Tabla VII. Desventajas en los métodos de diseño y fabricación de pcbs ....................................... 63

Tabla VIII. Componentes del bloque de programación cnc ........................................................... 65

Tabla IX. Funciones principales de G-code y M-code ................................................................... 66

Tabla X. Valores mínimos para determinar separaciones entre pistas ........................................... 72

Tabla XI. Hoja técnica para distintas láminas bajo la especificación ≥0.78mm ............................ 74

Tabla XII. Precauciones de seguridad industrial ............................................................................ 77

Tabla XIII. Recomendaciones preventivas de uso ......................................................................... 77

Tabla XIV. Técnicas para reciclar sustancias tóxicas .................................................................... 81

Tabla XV. Tipos de empaquetado de los circuitos integrados ....................................................... 85

Tabla XVI. Tipos de empaquetado de los circuitos discretos ........................................................ 85

Tabla XVII. Valores mínimos para determinar separaciones entre pistas ..................................... 89

Tabla XVIII. Características de las láminas más comunes ............................................................ 93

Tabla XIX. Características de las fresas de grabado ...................................................................... 94

Tabla XX. Cables de la máquina Fireball Meteor ....................................................................... 132

Tabla XXI. Funciones de los botones del control de mando ....................................................... 137

Tabla XXII. Cotización de materiales .......................................................................................... 152

Tabla XXIII. Pruebas experimentales de acuerdo a las opciones geométricas de FlatCAM ....... 154

Tabla XXIV. Pruebas experimentales para mínimos anchos de pista en la máquina .................. 156

Tabla XXV. Herramientas de kicad ............................................................................................. 185

Tabla XXVI. Descripción iconos herramienta superior con Eeschema ....................................... 187

Tabla XXVII. Descripción iconos herramienta derecha con Eeschema ...................................... 188

Tabla XXVIII. Descripción iconos herramienta izquierda con Eeschema .................................. 189

Tabla XXIX. Lista de atajos de teclado ....................................................................................... 190

Tabla XXX. Descripción iconos herramienta superior con Pcbnew ............................................ 198

Tabla XXXI. Descripción iconos herramienta derecha con Pcbnew ........................................... 199

Tabla XXXII. Descripción iconos herramienta izquierda con Pcbnew ....................................... 200

TablaXXXIII. Opciones Netlist .................................................................................................... 203

Tabla XXXIV. Tipos de capas en Pcbnew ................................................................................... 205

Tabla XXXV. Ventajas y desventajas de los programas CAD: Altium, Eagle y Kicad .............. 231

Tabla XXXVI. Necesidades de la matriz QFD ............................................................................ 232

Tabla XXXVII. Especificaciones técnicas de la matriz QFD ...................................................... 233

Tabla XXXVIII. Matriz QFD ....................................................................................................... 233

LISTA DE FIGURAS

Fig. 1. Máquina ruteadora Fireball Meteor .................................................................................... 21

Fig. 2. Software EMC2 para Linux CNC ....................................................................................... 22

Fig. 3. Relé de control .................................................................................................................... 22

Fig. 4. Máquina ruteadora BUNGARD CCD ................................................................................. 23

Fig. 5. Tecnología SMT ................................................................................................................. 27

Fig. 6. Tecnología PTH .................................................................................................................. 27

Fig. 7. Modelo circuito impreso ..................................................................................................... 37

Fig. 8. Clasificación de las PCBs ................................................................................................... 39

Fig. 9. PCB de tipo rígido .............................................................................................................. 40

Fig. 10. PCB de tipo flexible .......................................................................................................... 41

Fig. 11. PCB de tipo flexible con conectores punto a punto .......................................................... 42

Fig. 12. PCB de tipo rígido-flexible ............................................................................................... 43

Fig. 13. PCBs de una sola capa ...................................................................................................... 44

Fig. 14. Tarjetas con tecnología PTH ............................................................................................. 45

Fig. 15. Tarjetas con tecnología STH ............................................................................................. 45

Fig. 16. Estructura PTH (a) ............................................................................................................ 47

Fig. 17. Estructura PTH (b) ............................................................................................................ 47

Fig. 18. Interconexión con puentes ................................................................................................ 48

Fig. 19. Interconexión con ojal funnel-flanged .............................................................................. 48

Fig. 20. Interconexión con ojal split funnel-flanged ...................................................................... 48

Fig. 21. Interconexión con ojal fused-in-place ............................................................................... 49

Fig. 22. Vista transversal de una tarjeta multicapa de cuatro capas ............................................... 50

Fig. 23. Tarjeta multicapa de 4 capas ............................................................................................. 50

Fig. 24. Tarjeta multicapa de 8 capas ............................................................................................. 50

Fig. 25. Complejidad en función del costo de las tecnologías de PCBs actuales .......................... 52

Fig. 26. Tarjeta de doble capa con lámina de fibra de vidrio ......................................................... 53

Fig. 27. Lámina FR-2 de una sola capa .......................................................................................... 54

Fig. 28. Prototipo de diseño en lámina CEM-1 .............................................................................. 55

Fig. 29. Lámina CEM-3 de una sola capa ..................................................................................... 56

Fig. 30. Broca (drill bit) en acero de alta velocidad. ...................................................................... 58

Fig. 31. Fresa de acabado (end mill bits) en acero de alta velocidad. ............................................ 58

Fig. 32. Fresa de grabado (engraving bit) en carburo de tungsteno. .............................................. 58

Fig. 33. Diseño manual de PCBs .................................................................................................... 60

Fig. 34. Diseño de PCBs en software ............................................................................................. 61

Fig. 35. Estructura de un bloque de programación CNC ............................................................... 65

Fig. 36. Capacidad de corriente de conductores de cobre (a) ........................................................ 69

Fig. 37. Capacidad de corriente de conductores de cobre (b) ........................................................ 70

Fig. 38. Método gráfico para la determinación del ancho de la pista conductora (ejemplo en

naranja). .......................................................................................................................................... 71

Fig. 39. Meniscos de soldadura ...................................................................................................... 72

Fig. 40. Diseño de huella para un SOIC de ocho-pines ................................................................. 73

Fig. 41. Grosor mínimo de los diferentes tipos de dieléctrico ....................................................... 74

Fig. 42. Tipos de señalización ........................................................................................................ 76

Fig. 43. Etapas del protocolo de diseño de PCBs ........................................................................... 83

Fig. 44. Simulación del diseño digital ............................................................................................ 86

Fig. 45. Tipo de empaquetado del circuito integrado LM555 ........................................................ 87

Fig. 46. Tipos de empaquetados del LM555 .................................................................................. 88

Fig. 47. Tipos de empaquetado para resistencia PTH .................................................................... 88

Fig. 48. Voltajes y corrientes de operación del circuito ................................................................. 89

Fig. 49. Circuito ejemplo de alta diferencia de potencial – convertidor Flyback .......................... 90

Fig. 50. Gráfica de voltaje del convertidor Flyback ....................................................................... 90

Fig. 51. Método gráfico para la determinación del ancho de la pista conductora (ejemplo en

verde). ............................................................................................................................................. 91

Fig. 52. Ángulo de corte de la fresa ............................................................................................... 95

Fig. 53. Fresa en 'V' disponible en el mercado ............................................................................... 95

Fig. 54. Desgaste de Fresa en forma de 'V' .................................................................................... 96

Fig. 55. Fresa de forma triangular con un ángulo de 30° fabricada en carburo de tungsteno. ....... 96

Fig. 56. Menú Opciones de página en KiCad ................................................................................ 98

Fig. 57. Ejemplo de diseño digital .................................................................................................. 99

Fig. 58. Asignación de huellas a componentes con CvPcb ............................................................ 99

Fig. 59. Errores con ERC ............................................................................................................. 100

Fig. 60. Editor de Reglas de diseño en KiCad ............................................................................. 102

Fig. 61. Ejemplo de diseño digital a una sola capa ...................................................................... 103

Fig. 62. Ejemplo de diseño digital a doble capa ........................................................................... 104

Fig. 63. Herramienta DRC en diseño a una sola capa .................................................................. 106

Fig. 64. Herramienta DRC en diseño doble capa ......................................................................... 106

Fig. 65. Menú opciones de trazado .............................................................................................. 107

Fig. 66. Software FlatCAM .......................................................................................................... 109

Fig. 67. Búsqueda de archivos Gerber ......................................................................................... 109

Fig. 68. Abrir el archivo Gerber ................................................................................................... 110

Fig. 69. Ejemplo de diseño digital en FlatCAM .......................................................................... 111

Fig. 70. Archivos Gerber a una sola capa .................................................................................... 111

Fig. 71. Menú de configuración ................................................................................................... 112

Fig. 72. Ejemplo con los ejes adecuados ...................................................................................... 113

Fig. 73. Configuración de parámetros de una PCB ...................................................................... 113

Fig. 74. Fresado de PCB en escala de 1 (valor por defecto) ........................................................ 114

Fig. 75. Configuración de parámetros de ruteo ............................................................................ 115

Fig. 76. Diseño ruteado con FlatCAM ......................................................................................... 116

Fig. 77. Selección de archivo con parámetros geométricos ......................................................... 116

Fig. 78. Configuración de parámetros .......................................................................................... 117

Fig. 79. Configuración de parámetros geométricos ..................................................................... 118

Fig. 80. Diseño geométrico con FlatCAM ................................................................................... 118

Fig. 81. Generar G-Code en FlatCAM ......................................................................................... 119

Fig. 82. Instrucción M02 en G-Code. ........................................................................................... 119

Fig. 83. Cambio de extensión de .txt a .ngc ................................................................................. 120

Fig. 84. Imágenes Gerber en espejo ............................................................................................. 121

Fig. 85. Dos huecos agregados para tarjetas doble capa .............................................................. 121

Fig. 86. Opciones geométricas para los huecos en doble capa .................................................... 122

Fig. 87. Configuración de archivos Gerber doble capa ................................................................ 123

Fig. 88. Medición de ruido con sonómetro .................................................................................. 126

Fig. 89. Área de trabajo de la máquina Fireball Meteor .............................................................. 127

Fig. 90. Área de fresado en una placa de 20 x 20 cm ................................................................... 128

Fig. 91. Trozos de cinta en placa de 20 x 20 cm de doble capa ................................................... 128

Fig. 92. Placa pegada en el área de trabajo de la máquina ........................................................... 129

Fig. 93. Huecos y guías en tarjetas doble capa ............................................................................. 130

Fig. 94. Ubicación de tornillos en tarjetas doble capa ................................................................. 130

Fig. 95. Verificación de la fresa en el taladro .............................................................................. 131

Fig. 96. Verificación del taladro en la Fireball Meteor ............................................................... 131

Fig. 97. Actuador apagado ........................................................................................................... 132

Fig. 98. Interfaz software EMC2 .................................................................................................. 134

Fig. 99. Abrir G-Code en la barra de herramientas superior de EMC2 ....................................... 135

Fig. 100. Selección de archivo en EMC2 ..................................................................................... 135

Fig. 101. Diseño de una sola capa en EMC2 ............................................................................... 136

Fig. 102. Visualización de dimensiones en EMC ........................................................................ 136

Fig. 103. Control de mando Logitech F310 ................................................................................. 137

Fig. 104. Habilitación del conmutador ......................................................................................... 139

Fig. 105. Calibración de la máquina desde el software EMC2 .................................................... 139

Fig. 106. Punto inicial de fresado ................................................................................................. 140

Fig. 107. Asignación de ejes en (0,0,0) (a) .................................................................................. 140

Fig. 108. Asignación de eje X en 0 (b) ......................................................................................... 141

Fig. 109. Giro de taladro .............................................................................................................. 141

Fig. 110. Iniciando fabricación en EMC2 .................................................................................... 142

Fig. 111. Grosor de la lámina FR-4 .............................................................................................. 153

Fig. 112. Mínimos anchos de pista en la máquina Fireball Meteor ............................................. 155

Fig. 113. Prueba con marcador en hoja de papel ......................................................................... 157

Fig. 114. Prueba en madera .......................................................................................................... 157

Fig. 115. Fabricación de PCB en una capa .................................................................................. 158

Fig. 116. Prueba n° 1 en tarjetas doble capa ................................................................................ 159

Fig. 117. Prueba n° 2 en tarjetas doble capa: imagen izquierda capa frontal, imagen derecha capa

trasera. .......................................................................................................................................... 159

Fig. 118. Prueba n° 3 en tarjetas doble capa. ............................................................................... 160

Fig. 119. Pregunta n° 1 del cuestionario ...................................................................................... 161








Fig. 127. Pregunta A de la encuesta ............................................................................................. 165

Fig. 128. Pregunta B de la encuesta ............................................................................................. 166

Fig. 129. Pregunta C de la encuesta ............................................................................................. 166

Fig. 130. Pregunta D de la encuesta ............................................................................................. 167

Fig. 131. Pregunta E de la encuesta ............................................................................................. 167

Fig. 132. Pregunta F de la encuesta .............................................................................................. 168

Fig. 133. Pregunta G de la encuesta ............................................................................................. 168

Fig. 134. Prueba de PCB en el taller ............................................................................................ 171

Fig. 135. Menú de creación del proyecto ..................................................................................... 186

Fig. 136. Editor esquemático ........................................................................................................ 187

Fig. 137. Atajos de teclado ........................................................................................................... 190

Fig. 138. Presentación del esquemático con Eeschema ............................................................... 191

Fig. 139. Menú Opciones de página ............................................................................................. 192

Fig. 140. Ejemplo de diseño digital .............................................................................................. 193

Fig. 141. Ejemplo de diseño análogo ........................................................................................... 193

Fig. 142. Errores con ERC ........................................................................................................... 194

Fig. 143. Ventana principal CvPcb .............................................................................................. 195

Fig. 144. Tabla de librerías de huellas ......................................................................................... 196

Fig. 145. Asistente para añadir librerías de huellas ...................................................................... 197

Fig. 146. Editor de placas de circuito ........................................................................................... 198

Fig. 147. Presentación del esquemático con Pcbnew ................................................................... 201

Fig. 148. Lista de redes Netlist ..................................................................................................... 202

Fig. 149. Menú Reglas de diseño ................................................................................................. 203

Fig. 150. Editor de Reglas de diseño en KiCad ........................................................................... 204

Fig. 151. Menú de Capas .............................................................................................................. 205

Fig. 152. Ejemplo de diseño digital a una sola capa .................................................................... 207

Fig. 153. Herramienta DRC en diseño a una sola capa ................................................................ 208

Fig. 154. Herramienta DRC en diseño doble capa ....................................................................... 208

Fig. 155. Simbología de SnapEda ................................................................................................ 209

Fig. 156. Formatos de SnapEda ................................................................................................... 210

Fig. 157. Inicio de proyecto ......................................................................................................... 211

Fig. 158. Tipos de proyectos ........................................................................................................ 212

Fig. 159. Creación de plantillas .................................................................................................... 212

Fig. 160. Editor de librerías .......................................................................................................... 213

Fig. 161. Búsqueda de componentes ............................................................................................ 214

Fig. 162. Ejemplo de diseño digital en Altium ............................................................................ 214

Fig. 163. Guardar el proyecto ....................................................................................................... 215

Fig. 164. Comprobación de errores .............................................................................................. 216

Fig. 165. Asignación de nombre de los componentes electrónicos ............................................. 217

Fig. 166. Organización de componentes ...................................................................................... 217

Fig. 167. Comprobación para asignar componentes .................................................................... 218

Fig. 168. Adjuntar el área de trabajo de la PCB ........................................................................... 218

Fig. 169. Importar componentes electrónicos a la PCB ............................................................... 219

Fig. 170. Comprobar si no hay pistas ruteadas ............................................................................ 220

Fig. 171. Ruteo en Altium ............................................................................................................ 221

Fig. 172. Configuración del tamaño de pistas (a) ........................................................................ 222

Fig. 173. Configuración del tamaño de pistas (b) ........................................................................ 222

Fig. 174. Configuración de perforaciones .................................................................................... 223

Fig. 175. Corte de PCB ................................................................................................................ 223

Fig. 176. Ejemplo de PCB en Altium ........................................................................................... 224

Fig. 177. Configuración para eliminar el sobrante de la PCB ...................................................... 225

Fig. 178. Origen X Y (0,0) de la PCB .......................................................................................... 225

Fig. 179. Opción para determinar errores en PCB ....................................................................... 226

Fig. 180. Herramienta de comprobación de errores ..................................................................... 227

Fig. 181. Generación de archivos Gerber ..................................................................................... 227

Fig. 182. Parámetros para generar el archivo Gerber ................................................................... 228

Fig. 183. Gerber en proyecto de Altium ....................................................................................... 229

Fig. 184. Exportación de archivos Gerber .................................................................................... 229

Fig. 185. Archivo Gerber generado con extensión .GBL ............................................................. 230

LISTA DE DOCUMENTOS

Documento 1. Planilla de chequeo ............................................................................................... 124

Documento 2. Diseño del taller .................................................................................................... 143

Documento 3. Cuestionario del taller ........................................................................................... 147

Documento 4. Encuesta de satisfacción de capacitación ............................................................. 149

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.

18 PROTOCOLO PARA DISEÑO DE TARJETAS DE CIRCUITOS EN MÁQUINA RUTEADORA

ABSTRACT

The advances in the field of Electronics over the last decades are undeniable and are strictly

related to the development of printed circuit boards (PCBs). In fact, any electronic device is made

of one or more circuit boards. Since, the manual techniques for designing and building a PCB is

often expensive, prone to human error and it can even damage the environment, CNC (computer

numerical control) machines are used to avoid such inconveniences by optimizing the overall

manufacture process and reducing production times. The correct use of CNC machines requires

the definition of a protocol which it will be the focus of this work. The protocol is understood as

a series of steps that begin from the original conception of the desired circuit up to the final

product. The designed protocol will be used as an instruction manual in future projects, related

with building PCBs on campus. After a brief introduction and outlook on the problem, a wide

theoretical framework is presented covering different aspects such as design criteria, industrial

security regulations and PCB recycling techniques. Next up, the mentioned protocol is detailed

followed by a description of the test carried out. As part of the research, the workshop performed

on members of the Engineering faculty assessing the results through a survey. Lastly, the

conclusions on the overall work are given.

Keywords: CNC machine, Gerber file, Printed Circuit Board (PCB).


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.


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 (FeCl3), 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/cm2]

Microcircuitos

S.A.

Cali

(Colombia)

110x38.3

1

Sin

through

hole 10 días

hábiles

$210.650 50

25x50 $112.600 90,08

110x38.3

2

Con

through

hole

$192.500 45,7

25x50 $310.750 248,6

Dirty Boards

(dirty PCB)

Hong Kong

(China)

5x5

2

Sin

through

hole 30 días

hábiles

$4.200 168

10x10 $7.500 75

5x5

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]


La máquina modelo Fireball Meteor de clase CNC (Figura 1) de dimensiones 121 cm x 182.88

cm x 76.2 cm abarca un área de trabajo de 63.5 cm x 127 cm x 12.7 cm en los ejes X, Y, y Z

respectivamente. Dicha máquina requiere de una alimentación de 10A a 110V y alcanza una

velocidad de 0.08467 m/s entre puntos de entrada, esto nos permitirá estimar los tiempos y costos

de fabricación de un PCB los cuales se pueden comparar con los valores de la Tabla I. La CNC

cuenta con dos rieles (izquierdo y derecho) en el soporte que hacen uso de motores tándem para

evitar obstrucción en los bordes.

Fig. 1. Máquina ruteadora Fireball Meteor

Tomado de: Probotix™ [4]

La máquina CNC está completamente ensamblada, lo cual permite disminuir el riesgo de

descalibrar el equipo por un procedimiento erróneo de montaje. Además, la CNC dispone de

algunas características de seguridad importantes como: relé para encendido y apagado del taladro

por medio de software (Figura 3) y una cadena porta cable que permite guiar el cableado en una

correcta posición.

Es de especial importancia resaltar que la CNC requiere de un computador externo que contenga

el sistema operativo Linux y del software “EMC2”, esto para coordinar la secuencia de apuntar.

En la Figura 2 se observa el software que requiere la CNC.


Fig. 2. Software EMC2 para Linux CNC


Fig. 3. Relé de control


Existe otra máquina CNC de origen alemán y de modelo BUNGARD CCD (ver Figura 4) con

dimensiones 70 cm x 80 cm x 30 cm abarcando un área de trabajo de 32.5 cm x 49.5 cm x 3.8 cm

en los ejes X, Y, y Z respectivamente. Dicha máquina requiere de una alimentación de 110V –

240V y alcanza una velocidad máxima de 0.15 m/s entre puntos de entrada. La ruteadora está

diseñada especialmente para la fabricación de tarjetas de circuitos a diferencia de la Fireball


Meteor que también sirve para tallado de madera. La BUNGARC CCD no cuenta con varillas con

roscado sinfín y en su lugar lleva correas que permiten el desplazamiento en todos los ejes. Tiene

incorporada una aspiradora de 1500W para recolectar las virutas de desechos metálicos. Esta

máquina alcanza una resolución de ¼ Mil (equivalentes a 6.35 µm) lo que le da una alta precisión

mecánica.

Fig. 4. Máquina ruteadora BUNGARD CCD

Tomado de: Bungard Elektronik [5]

En cualquier máquina CNC, es necesario seleccionar el método de fabricación más eficiente

minimizando los costos y tiempos requeridos de donde surge la necesidad de elaborar este

protocolo. Cabe mencionar que bajo esta metodología de diseño no se necesitaría de materiales

químicos perjudiciales para la salud.

La propuesta de realizar este protocolo para el diseño de tarjeta de circuitos obedece a que en la

actualidad la Universidad, en particular la facultad de Ingeniería, carece de un instructivo para

hacer uso de la máquina CNC con el fin de diseñar PCBs. Después de culminarse este trabajo de

grado, se espera que un porcentaje de la comunidad del programa de Ingeniería Electrónica tenga

las capacidades tanto para diseñar como fabricar tarjetas impresas en cualquier máquina CNC

programada en G-Code. El mayor aporte de la definición de un protocolo consiste en optimizar

los factores de costo y tiempo. Esto garantiza que los estudiantes realicen sus proyectos de

semestre asegurando calidad, precisión y repetibilidad en la construcción de circuitos.


Finalmente, se formula la siguiente pregunta que encamina la investigación: ¿Cuál es el método

más eficiente, medido en términos de costos y tiempo, para diseñar PCBs con la máquina

ruteadora Fireball Meteor?

A. Antecedentes

En esta sección, se hace un breve recuento de la historia de las tarjetas impresas desde sus

orígenes en 1904 hasta el día de hoy seguido por el contexto actual del estado del arte en las

industrias que se dedican a la fabricación de PCBs.

1) Historia de PCBs según Khandpur [6]

Aunque el uso comercial de las tarjetas impresas se dio en los años 50, su desarrollo conceptual

data de medio siglo antes. Frank Sprague, fundador de la empresa Sprague Electric Railway &

Motor Company tuvo la idea de eliminar el cableado punto a punto en 1904. Cuando el consultó

con su mentor Thomas Edison, este le sugirió que una reducción en plata podría ser

recomendable para lo que planteaba.

Según Khandpur [6], “La primera contribución significativa vino de Charles Ducas, quien

solicitó una patente a la Oficina de Patentes de Estados Unidos el 2 de Marzo de 1925 para su

propuesta de montar depósitos de metal eléctrico en forma de conductores directamente sobre el

material de aislamiento. Esto con el fin de simplificar la construcción de dispositivos eléctricos”.

El utilizó una plantilla para formar los conductores sobre una superficie de material aislante y

aplicó una pasta conductiva en las líneas deseadas. A estas últimas se les reforzaba el grosor tras

remover la plantilla mediante el depósito de metal electrolítico. La principal ventaja de este

avance fue que el depósito de dicho metal era un proceso sencillo que podía ser llevado a cabo

por operarios inexperimentados.

Tan solo diecisiete días después Francis T. Harmann aplicó para una patente de lo que se conoce

como el método sustractivo de fabricación de PCB. Dicho método según Clyde F. Coombs, [7]

consiste en “Remover la parte no deseada de la lámina de cobre dejando grabado el patrón


conductor deseado”. Este método se puede considerar como el evento pionero de las tecnologías

de ácido clorhídrico.

En Francia, en Abril de 1926 le fue concedida a Cesar Passolini la patente por inventar el método

aditivo para realizar conexiones eléctricas. Este método según Clyde F. Coombs, [7] consiste en

“Formar el patrón de conductor mediante una adición de cobre en una lámina virgen”. Dos años

después Samuel Charles Ryder solicitó una patente Australiana que involucraba la manufactura

de bobinas para aplicaciones de sincronización de radio. Proponía que el sustrato fuera impreso o

rociado directamente sobre la pintura conductiva durante la manufactura.

La mayor contribución al desarrollo de tecnologías modernas de PCBs se debe a Paul Eisler;

quien propuso un material de aislamiento revestido de cobre en forma de lámina, el cual se usaría

como la base de la manufactura de tarjetas impresas donde se remueve el metal a través de ácido

clorhídrico. Paul propuso la generación de conductores a ambos lados de la lámina conectados

por medio de ojales con otros conductores. Eisler dió nacimiento a un método de producción en

masa y ensamblaje, y además permitió economizar recursos en términos de peso y espacio. Con

el tiempo se fue remplazando el uso de ojales por huecos metalizados que se convertirían en parte

esencial del proceso de manufactura de tarjetas doble capa y multi-capa.

Durante la segunda guerra mundial el auge de la tecnología impulsó el avance en materia de

dispositivos electrónicos de consumo como la radio y la televisión, y al mismo tiempo hubo la

necesidad del uso de la electrónica para aplicaciones militares. Esto creó la necesidad de tarjetas

impresas confiables y de mayor complejidad. Cuando estas alcanzaron su máxima densidad, las

tarjetas de una sola capa fueron remplazadas por las de doble capa, permitiendo que los cableados

no requirieran del uso de puentes.

Entre los años 1953 y 1955, Motorola estableció el proceso de laminado en cobre para asegurar

una interconexión entre ambos lados de una tarjeta facilitando el proceso de manufactura en

masa.


En los años 60 se introdujo el método electroless, proceso de reducción química sin aplicar

corriente eléctrica donde los electrones únicamente se obtienen a través de agentes catalizadores.

Estos se consideran como sustancias que aceleran la velocidad de reacción, pero generalmente no

aparecen en los productos. Entre estos agentes existen: el catalizador de paladio, el catalizador de

rodio y el catalizador de platino. La técnica anterior es usada ampliamente en procesos

industriales y en aplicaciones de tarjetas impresas en el campo de recubrimientos conductivos

sobre sustratos no conductivos. En 1964 la compañía Photo Circuits, USA desarrolló el proceso

aditivo completo donde la base del material estaba compuesta de cobre laminado selectivamente.

En el año 1970 las tarjetas impresas fueron adaptadas en la electrónica de consumo, en equipos

médicos y científicos, en tecnología aeroespacial y en casi todas las ramas de la electrónica,

igualmente culminando así en la industria informática. El tamaño de las tarjetas impresas se fue

reduciendo asequiblemente gracias a la manufactura de tarjetas de circuitos en múltiples capas y

tarjetas de circuitos rígidos-flexibles utilizando el sistema de ojales por huecos metalizados y el

proceso de ácido clorhídrico. Lo anterior debido al gran crecimiento que se dió en su fabricación

a finales de los años 60.

En la actualidad existe una tecnología llamada Surface Mount Technology (SMT) o tecnología de

montaje superficial. Esta tecnología se empezó a aplicar en los años 80 y es muy utilizada en la

industria. Consiste en soldar los componentes sobre la superficie de las tarjetas de circuitos sin la

necesidad de realizar perforaciones. Con base en esto el patrón del circuito resulta estar en la

misma cara que en los componentes.

Esta última tecnología está remplazando a la Tecnología con conexión de agujeros pasantes

metalizados(PTH), ya que presenta bastantes ventajas para su utilización industrial como:

simplificación del proceso de taladro de huecos y aplicación soldadura, se utilizan componentes

más pequeños por ejemplo de 0.4mm x 0.2mm, presenta menor costo de componentes,

producción racionalizada y una mayor confiabilidad.

En la Figura 5 se muestra este tipo de tecnología, la SMT, donde los componentes están

ensamblados en ambos lados de las tarjetas de circuitos; en este caso los componentes están


unidos por una pasta o pegamento no conductivo. Por otro lado, en la Figura 6 se muestra la

tecnología PTH, donde los componentes están ubicados en el lado llamado “component side” y

soldados en el otro lado llamado “solder side”.

Fig. 5. Tecnología SMT

Tomado de: Khandpur [6]

Fig. 6. Tecnología PTH

Tomado de: Khandpur [6]

Según Khandpur [6], las tarjetas impresas siguen siendo una parte elemental del sector de la

electrónica pues la industria de las PCBs se mantiene actualmente en un crecimiento anual del

7%. Se espera que el proceso de manufactura de las tarjetas impresas requiera de una cantidad

cada vez menor de plomo específicamente en tecnologías PTH. Esto contribuye con el medio

ambiente e incluso mejora la sensibilidad térmica del sistema [8]. De hecho, la investigación en

términos de los materiales utilizados en PCBs también va de la mano con el principal enfoque de

la Electrónica: construir dispositivos y componentes cada vez más rápidos, pequeños y ligeros.

Por ejemplo, la corporación Celanese [9] propuso el uso de un polímero de cristal líquido


laminado a las películas de cobre en PCBs debido a sus ventajas como una constante dieléctrica

baja, un procesamiento similar a los materiales FR-4 y resistencia química. Otro caso es el de

Ingenieros Lin et al. en Taiwan [10] que plantearon el uso de nitrato de circonio en las puntas

(brocas) extendiendo hasta tres veces su vida útil e incluso mejorando la calidad del producto

final.

En las últimas décadas, también se ha avanzado en términos de mejoras sustanciales en el diseño

de PCBs a alta velocidad. Algunos ejemplos de esto incluyen una red neuronal dinámica

generalizada para modelar buffers de entrada y salida en PCBs como lo muestra Cao y Bokhari

[11], un algoritmo heurístico capaz de asignar capas para los pines de las PCBs basado en la

subsecuencia común más larga según Zhang, Pan y Zhu [12] y un método para el control de la

capacitancia en las vías aprovechando su escalamiento lineal y características geométricas como

en Rangu y Svasta [13]. Otros autores se enfocan en incrementar la eficiencia del proceso físico

de producción de PCBs como tal usando el láser como herramienta principal de grabado;

Mountain y Beams [14] adaptaron el grabado por láser para el trazado de las pistas y Rozman,

Kmetec, Podobnik, y Govekar [15] optimizaron el proceso de fabricación de PCBs a través de

estructuramiento laser. Adicionalmente, se han reducido los costos de producción: Alberto

Maldonado et al. [16] han planteado una alternativa de fabricación de PCBs a bajo costo creando

una caja de exposición de rayos ultravioleta que permite grabar en la PCB. Otros estudios han

sugerido soluciones de bajo costo responsables con el medio ambiente. Según Gielen, Sillen, y

Puik [17] es posible plasmar circuitos en PCB a través de una máquina soldadora ultrasónica

mientras que Guna, Murugesan, y Basavarajaiah [18] planteo el desarrollo de tarjetas

completamente biodegradables obtenidas a través de biocompuestos constituidos de fibras de

celulosa natural (tallo de plátano y gluten de trigo).

Por otro lado, se debe prestar especial atención a la integridad de la señal y a la compatibilidad

electromagnética (EMC en inglés) que se conoce como una medida que describe qué tan bien

funciona un dispositivo electrónico en un entorno electromagnético. De esta forma, es posible

reducir las perturbaciones electromagnéticas a través de:

• Técnicas de optimización cuyos resultados son observables al medir parámetros como la

corriente de superficie dada por Chen, Xie y Zhao [19].


• Métodos como el ruteo de dos trazas en ángulos entre 30 y 60 grados en dirección de las

fibras de vidrio de ciertos dieléctricos usados en PCBs como lo muestra Amstrong [20].

• Rigurosas pruebas de conformidad electromagnética como lo indica Page y Arunachalam

[21].

Las máquinas ruteadoras se programan en G-Code, ampliamente utilizado en aplicaciones de

modelado 3D en las áreas de robótica e incluso en la fabricación de prótesis mediante impresión

3D. Según Báez, Miramontes, Domínguez, y Gallardo [22] se puede mejorar la calidad de

grabado en tarjetas impresas a nivel de software enfocándose en los algoritmos de procesamiento

de la imagen correspondiente al archivo Gerber. Otra opción, como lo muestra Mihai [23]

consiste en optimizar la longitud total de las pistas mediante un algoritmo que busca el camino

optimo definiendo el problema estableciendo el problema clásico del vendedor viajero en un

sistema de grafos. La optimización de dichos caminos también se ha realizado a través de

algoritmos genéticos como lo indica Abid y Abdulrazzaq [24].

Las técnicas de fabricación han avanzado dando solución a mejoras que antes eran imposible de

realizar. Estas mejoras contribuyen a largo plazo a una mejor producción en las industrias.

2) Estado de la industria de PCBs

En esta sección, se irán presentando algunas empresas nacionales e internacionales que se

dedican a la producción de tarjetas impresas. Siendo así, se hará una presentación de los

requerimientos que utilizan como: las clases de PCBs (una sola capa, doble capa o multicapa), los

tipos de PCBs (rígidos, flexibles o rígidos-flexibles), el tipo de material (sustrato de cobre,

sustrato en fibra de vidrio, aluminio, poliamida), el producto final de terminado o acabado

(blanco, verde, azul, entre otros) y el plazo de entrega en envíos. Igualmente, se irán presentando

las normas y estándares que manejan en la industria.


a) Empresa Chilena Andes Electrónica

La empresa Enrique Morchio y Cía. Ltda. [25] ubicada en Chile, ofrece sus servicios de

fabricación de PCBs de la siguiente forma:

• Circuito impreso a una capa, tamaño 28 x 55 cm.

• Circuito impreso a doble capa, tamaño máximo 28 x 46 cm.

• Circuito impreso de múltiples capas.

Permite entregar a sus clientes una amplia gama de soluciones que se ajustan a sus necesidades

como:

• Serigrafía de colores: Blanco.

• Máscara de soldadura o Solder Mask: Verde.

b) Empresa Sueca Ncab Group

La empresa Ncab Group Corporation [26] ubicada en Suecia, presta sus servicios a personas que

realizan sus proyectos y que requieran de PCBs. Las ofertas que ofrecen son las siguientes:

• Circuitos impresos a doble capa, flexibles y rígidos-flexibles.

• Tipo de tecnologías: PCBs de alta densidad de interconexión o HDI.

• Tipo de material: Base Aluminio.

• Plazo de entrega: De 2 a 10 días.

Igualmente, ofrecen soporte de diseño cerca a sus clientes y una producción de PCBs en serie.

c) Empresa Colombiana Microcircuitos

La empresa Colombiana Microcircuitos [1] manufactura los PCBs utilizando un producto

llamado Lead Free o soldadura libre de plomo. Esto con el fin de evitar la contaminación del

medio ambiente con sustancias tóxicas.

Esta empresa hace uso de métodos con máscara de soldadura (solder mask) y notación por

procesos fotográficos L.P.I (Liquid photo imageable) que garantizan el ensamble de los

elementos BGA, QFP y de montajes superficiales (SMT).


Disponen de un sistema de captura VisualCAM para recoger la información de cualquier

programa de diseño utilizado por sus clientes y el plazo de entrega en envíos es de 10 días

hábiles.

d) Empresa Colombiana Microensamble

La empresa colombiana Microensamble [2] incorpora las ultimas exigencias de la industria

electrónica como son el uso de dispositivos de montaje superficial (SMT) y productos libres de

plomo.

Esta empresa cumple con los siguientes requerimientos:

• Fabricación de circuitos multicapas de hasta 8 capas.

• Alta definición en pistas y espacios hasta de 0.15mm.

• Diámetros de perforaciones hasta de 0.2mm.

• Fabricación de vías ciegas (blind) y enteradas (burried).

• Proceso L.P.I de alta definición que permite el diseño de líneas con máscara de soldadura

(solder mask) entre almohadillas o pads de hasta de 0.15mm.

• Corte externo de tarjetas por método de ruteo sin límite de formas.

• Acabado final totalmente libre de plomo sobre los pads.

• Pads planares para compatibilidad con dispositivos SMT.

e) Empresa China Topscom

La empresa Topscom [27] ubicada en china se destaca por manufacturar PCBs multicapa. Los

materiales que usan van hasta la gama media FR-4 de poliamida, teflón, cianato Ester y BT. En la

Tabla II se observa los prototipos que utiliza esta empresa.

TABLA II. REQUERIMIENTOS EN LA DISPOSICIÓN DE PCBS

Experiencia Capacidad

Experiencia en años 10 N/A

Tamaño de disposición 16 x 13 in Todas las dimensiones

Conexión de puntos 20,000 pin Dependiente del diseño

Capas 20 capas Dependiente del diseño


Velocidad GIGA / OC48 Hasta 10G

Espesor de seguimiento 1/2, 1Oz Cu >> ½ Oz Cu

Ancho de seguimiento 0.127/0.152/0.203mm > 0.076mm

Tipo de material FR-4 expoxy natural FR 4-06

Espesor dieléctrico 0.127mm < 0.101mm

Placa de madera 24 capas Dependiendo del diseño

Tomado de: Topscom [27]

f) Empresa Mexicana Tecnología digital del bajío

La empresa Tecnología digital del bajío [28] ubicada en México también cuenta con montajes

superficiales (SMT) y fabricación en serie. En la Tabla III se observan los requerimientos dados

por esta empresa.

TABLA III. CAPACIDADES PRINCIPALES EN FABRICACIÓN DE PCBS

Requerimientos

Numero de capas 1 - 4

Material FR-4

Grosor de la PCB De 0.4mm hasta 2mm

Mínima dimensión para la pista 0.20mm

Espacio entre conductores 0.20mm

Espacio de agujeros (min) 0.25mm

Ancho mínimo en la serigrafía 0.15mm

Colores de las tarjetas Negro, verde, rojo, blanco, azul, y amarillo

Tomado de: Tecnología digital del bajío [28]

g) Empresa Canadiense Bittele Electronics

La empresa Bittele Electronics Inc [29] ubicada en Canadá ofreciendo la fabricación de los PCBs

de un solo prototipo o la producción a gran escala.

Las especificaciones que brindan son:

• Tamaño máximo del panel: 19.7 in X 31.5 in.

• Cantidad máxima de capas: 1-30.

• Espesores de cobre: 17.5um hasta 175um.

• Ancho mínimo de línea: 0.07mm.


• Espacio mínimo entre líneas: 0.07mm.

• Agujero más pequeño: 0.0006in.

• Vías ciegas, enterradas y enchufadas.

• Impedancia controlada.

Los materiales y tipo de grosor que manejan son:

• Grosores de: 0.008in hasta 0.240in.

• FR-4.

• PTFE.

• Base de aluminio.

• Rogers.

Máscara de soldadura (solder mask):

• LPI – verde, amarillo, negro, rojo, azul, entre otros.

• Máscara despegable.

Igualmente, esta empresa entrega el producto final en distintos tipos de acabado o enchapados

como: acabado en carbono, enchapado selectivo en oro, baño en oro duro o blando, recubierta

dorada por inmersión o plateada y un estañado por inmersión. Las etiquetas que manejan son de

varios colores según el gusto del cliente.

Los métodos de inspección que usan son:

• 100% inspección visual.

• Prueba eléctrica.

• Inspección de lote de pruebas.

• Corte transversal.

La entrega con la que esta empresa ofrece a sus clientes es de 5 a 10 días.


III. JUSTIFICACIÓN

La máquina de clase CNC (Control numérico computarizado) Fireball Meteor adquirida por la

Universidad de San Buenaventura carece de un manual (protocolo) para su manipulación, por eso

es importante elaborar un protocolo que sirva de guía para poder manejarla. Con el protocolo

para diseño de circuitos impresos (PCBs) se busca suplir la necesidad que tienen todos los

integrantes de la facultad de Ingeniería, quienes no disponen de un documento escrito que les

permita poner en funcionamiento la CNC. La ausencia del protocolo ha generado costos en

materiales derivados de la implementación de PCBs de forma manual, tales como papel

propalcolte (usado para transferir el diseño de circuito), percloruro de hierro (FeCl3) (usado para

corroer las partes sobrantes de cobre) y tinta indeleble (usado para trazar las pistas o corregir

procedimientos con FeCl3). Debido a esto, el protocolo plantea como uno de sus objetivos reducir

los costos y tiempos de fabricación.

La elaboración de este protocolo traería las siguientes ventajas:

• Reducción de costos de materiales debido a que ya no será necesario utilizar papel

propalcolte (usado para transferir el diseño de circuito), percloruro de hierro (FeCl3) (usado

para corroer las partes sobrantes de cobre) y tinta indeleble (usado para trazar las pistas o

corregir procedimientos con FeCl3).

• Mostrar como las máquinas de clase CNC proporcionan mayor precisión y permiten la

repetibilidad en la construcción de pistas de circuitos. Muchas máquinas de hoy en día

proveen una taza de precisión entre 0.05mm y 0.10mm. Esto es muy importante si se requiere

que el producto sea exactamente el mismo.

• Dado que, el trabajo que realiza la máquina es automatizado es necesario de pocos operarios,

mejorando la organización de tiempos en la industria de fabricación de PCBs. [30]

• Desarrollo de nuevas tecnologías que favorecerán a la comunidad en general. Esto basado en

la misión de nuestra Universidad, que dice: “La Universidad de San Buenaventura es una

institución de educación superior que desarrolla y presta servicios académicos integrados de

excelente calidad para satisfacer las necesidades de la sociedad; afirma su identidad en la

confluencia de tres dimensiones sustanciales: Su ser universitario, su ser católico y su ser

franciscano”. [31]


Los autores Rangel y Sevilla presentaron un estudio donde experimentaron dos ventajas de las

mencionadas anteriormente (ahorro de tiempo y precisión). [32]

En dicho estudio hacen una comparación entre el método de fabricación manual y el método de

fabricación con una máquina ruteadora o CNC. Para ello, utilizaron una tarjeta en material de

cobre en un área de trabajo de 20 cm x 25 cm x 8 cm.

Los resultados obtenidos por Rangel y Sevilla al realizar las pruebas con la máquina ruteadora de

clase CNC permitieron establecer varios parámetros, ver Tabla IV, tales como: el valor de

posición entre pistas, y la velocidad máxima y mínima que se puede obtener con las

especificaciones dadas en la tabla. [32]

TABLA IV. PARÁMETROS OBTENIDOS PARA EL FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO

Parámetro Cantidad

Máximo Error de posicionamiento < 0.4mm / 100mm

Máxima velocidad de trabajo 75 mm / min

Velocidad de posición 100 mm / min

Mínima velocidad de trabajo 5 mm / min

Ancho de corte 0.8 mm

Notas: mm=milímetros, min=minutos. [32, p. 6]

Para finalizar, los autores al utilizar el método de fabricación manual en dicha tarjeta, expresaron

que este método presenta falencias, tales como: precisión, debido a la exposición al ácido. En

cuanto a los tiempos de fabricación, pues con el método manual su duración fue de

aproximadamente 2 horas y media en cambio con la máquina ruteadora la duración fue de 45

minutos, en la elaboración de un circuito descrito en 257 instrucciones del archivo de diseño

(Gerber) propuesto por ellos para la evaluación de la investigación.


IV. OBJETIVOS

A. Objetivo general

Diseñar e implementar un protocolo para el diseño de PCBs con la máquina ruteadora Fireball

Meteor, al igual que la construcción de un curso para el aprendizaje de dicho protocolo.

B. Objetivos específicos

• Obtener un estado del arte sobre la implementación de PCBs con máquinas ruteadoras.

• Hacer un listado de requerimientos para implementar PCBs en la máquina ruteadora Fireball

Meteor.

• Diseñar e implementar un protocolo para la fabricación de PCBs a una cara y a doble cara.

• Realizar pruebas de fabricación de diferentes tipos de PCBs con parámetros diversos.

• Adquirir los datos experimentales de los parámetros límites para el diseño de PCBs con el

protocolo diseñado.

• Implementar un curso para la elaboración de PCBs con la máquina ruteadora Fireball

Meteor.

• Impartir el curso implementado a un grupo de personas y documentar el proceso.

• Realizar la divulgación de los resultados obtenidos, parciales y finales, en el desarrollo del

proyecto de la forma que sea más conveniente.


V. MARCO DE REFERENCIA

En este capítulo se aborda un estado del arte que abarca diferentes temáticas relacionadas con las

PCBs: definición, tipos de material, métodos de diseño y fabricación, clasificación por capas y

láminas y codificaciones en máquinas CNC. Finalmente, se presentarán cuatro normas

relacionadas con la fabricación de PCBs seguido por técnicas de reciclaje y procesos de

tratamiento de residuos.

A. Circuitos impresos (PCBs)

Electrosoft Ingeniería [33] es una empresa chilena dedicada a la manufactura de tarjetas

impresas, y define las tarjetas impresas como “Un circuito impreso o PCB en inglés, es una

tarjeta o placa utilizada para realizar el emplazamiento de los distintos elementos que

conforman el circuito y las interconexiones eléctricas entre ellos”. Dichas interconexiones

corresponden a pistas conductoras (generalmente de cobre) trazadas sobre una superficie aislante

conocida como sustrato (generalmente fibra de vidrio). Un ejemplo de PCB se puede apreciar en

la Figura 7.

Fig. 7. Modelo circuito impreso

Tomado de: Varteresian, Jon [34, p. 20]


La Figura 8 tomada de Clyde F. Coombs [7], muestra la clasificación de las PCBs tomando en

cuenta varios factores como los distintos procesos de fabricación y el material del sustrato.

Dichos factores se agrupan en siete columnas las cuales se describen a continuación:

• En la columna 1, se clasifican los circuitos impresos basándose en la naturaleza de su

sustrato. Dicho sustrato puede ser orgánico o inorgánico. Mientras que los sustratos

orgánicos están conformados por capas de papel impregnado con resina epóxica, los

sustratos inorgánicos consisten principalmente de cerámica y materiales metálicos como el

aluminio o el hierro dulce.

• En la columna 2, se realiza una clasificación de acuerdo a la forma en que el patrón de

conducción es impreso en la tarjeta. Esto se puede lograr de forma gráfica o de cableado

discreto. Debido a su economía y velocidad, el método grafico es el estándar utilizado para

plasmar interconexiones dentro de la tarjeta y consiste en transferirle el patrón del circuito

maestro mediante foto-impresión. En contraste, el cableado discreto no involucra un proceso

formal de impresión de los conductores de señal, sino que adhiere los conductores

directamente a la tarjeta con la ayuda de cable de cobre aislado.

• En la columna 3, se diferencian las PCBs de acuerdo a su naturaleza física sean rígidas,

flexibles o rígidas-flexibles (ver sección B Tipos de PCBs).

• En la columna 4, se indica si el conductor involucra un proceso sustractivo o aditivo. El

método sustractivo, se retiran bloques de la lámina de cobre por grabado para conformar el

patrón del circuito. En cambio, el método aditivo añade cobre a un sustrato simple (sin

lámina de cobre) en los sitios deseados.

• En la columna 5, se define el número de capas de conducción (SSB: tarjetas de una sola

capa, DSB: tarjetas de doble capa y MLB: tarjetas de múltiples capas) (ver sección C,

Clasificación de PCBs acordes a su número de capas).

• En la columna 6, se exhibe la presencia o ausencia de Tecnología con conexión de agujeros

pasantes metalizados(PTH) (ver sección C, Clasificación de PCBs acordes a su número de

capas).

• En la columna 7, se clasifican las tarjetas según el método de producción (ver sección F,

Métodos de diseño y fabricación de PCBs).


Fig. 8. Clasificación de las PCBs

Tomado de: Clyde F. Coombs [7, p. 102]

Basándose en la Figura 8, a manera de ejemplo se propone implementar una PCB de material

orgánico, rígido y con una capa. La clasificación para este ejemplo seria de la siguiente manera:

Inicialmente, se escoge el material de base orgánica y se procede a escoger el método gráfico con

el que se plasmará el circuito sobre la tarjeta. En la siguiente columna, se opta por uno de los tres

tipos de PCBs (rígidos, flexibles o rígidos-flexibles) el cual depende del tipo de aplicación, en

este caso se escogerá rígido. Ahora se pasa a la sustracción del cobre, que es el método usado

comúnmente. En la columna 5 se tienen las opciones de escoger el número de capas (una sola

capa, doble capa o multi capa), siendo así en este ejemplo se escoge a una sola capa. En el sexto


nivel, se escoge el tipo de tecnología (PTH o sin PTH) lo cual por ser una tarjeta sencilla no lleva

esta tecnología. Por último, queda la opción de fabricar el proceso de PCB únicamente por print

& etch.

B. Tipos de PCBs

Según Clyde F. Coombs [7] , los PCBs pueden ser clasificados entre 3 grandes grupos que son:

circuitos impresos rígidos, circuitos impresos flexibles y circuitos impresos rígidos-flexibles.

1) Circuitos impresos rígidos

Este tipo de circuito es el más común que se puede encontrar en los sistemas electrónicos, esta

tarjeta de circuitos impresa está constituida por una superficie plana con espesores distintos y su

forma de presentación típica es rectangular o cuadrada. Los espesores que pueden usarse son de

0.035mm (35µm) o de 0.070mm (70µm) para aplicaciones académicas o en proyecto para el

hogar; en aplicaciones como en la industria es necesario un espesor alrededor de 1.15mm a

1.40mm. [35]

Esta tecnología se compone de un material base que sirve como aislante y su fabricación puede

ser en fibra de vidrio o en sustrato de tipo laminado rígido, los cuales son resistentes a altas

temperaturas. Según Novoa Roldán y Infante Moreno [35], las láminas llevan pistas de cobre, las

cuales permiten la interconexión de los dispositivos electrónicos. En la Figura 9 se puede

observar un PCB de tipo rígido.

Fig. 9. PCB de tipo rígido

Tomado de: Glenair [36].


Los beneficios de los PCBs rígidos según Glenair [36], son:

• Presenta una construcción robusta y duradera.

• Proporciona puntos de montaje duros para conectores y componentes más pesados.

• Ideal para el montaje de componentes de doble capa.

• Se puede implementar en tarjetas de una sola capa, de doble capa y en múltiples capas.

2) Circuitos impresos flexibles (FPC)

Estas tarjetas de circuitos impresos contienen un material de laminado de cobre formado sobre un

sustrato de Poliéster o de poliamida con un espesor de 0.1mm [6]. Estos materiales permiten que

las tarjetas puedan doblarse fácilmente, convirtiéndolas en dispositivos maleables. Igualmente,

estos circuitos flexibles son muy eficientes en la reducción de dimensiones, masa y costos, y al

mismo tiempo aumentan la confiabilidad de todas las aplicaciones.

Las aplicaciones más utilizadas en la industria para este tipo de circuitos impresos son:

comunicaciones (GPS, teléfonos móviles), industria automotriz (sensores, automóviles),

electrónica de consumo (televisores, calculadoras), sector aeroespacial y militar, entre otros.

Igualmente, se utilizan para ahorrar espacio en dispositivos modernos como audífonos, cámaras

de video, portátiles e impresoras. En las Figuras 10 y 11 se puede apreciar un PCB de tipo

flexible.

Fig. 10. PCB de tipo flexible

Tomado de: Rojas Hoyos, William [37, p. 48]


Fig. 11. PCB de tipo flexible con conectores punto a punto

Tomado de: Glenair [36]

Los beneficios de los PCBs flexibles según Circuitos Impresos SEI [38], son los siguientes:

• Reducción de costos de ensamblado: En los circuitos flexibles, la eliminación de conectores

y uniones de soldadura reduce costos y aumenta la confiabilidad.

• Sustitución de circuitos impresos rígidos: Los circuitos flexibles simplifican el sistema de

diseño y también reducen el número de interconexiones.

• Reducción de peso y tamaño: Posibilidad de reducir espacio en el desarrollo del dispositivo.

• Flexión dinámica: La delgadez del sustrato hace de los circuitos flexibles el mejor candidato

para aplicaciones dinámicas soportando millones de flexiones.

• Cualidades eléctricas: Facilita el control de impedancia y provee características eléctricas

uniformes para circuitos de alta velocidad.

• Manejo de altas temperaturas: Los circuitos flexibles se diseñan para soportar un amplio

rango de temperaturas y ambientes extremos.

• Estética: Los

Protocolo para diseño de tarjetas de circuitos en máquina...

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