Cómo hacer un PCB: parte 1.

Si esta entrada del blog se hubiese escrito hace unos años hablaría de cómo fabricaríamos nosotros un PCB mediante insolado, ácidos, etc.. Hoy en día debido a los bajos costes de las placas de cirucito impreso (PCB) en China y su envío, es más barato pedir un PCB con acabados profesionales que intentar fabricar un PCB de baja calidad nosotros mismos. A continuación se explica como pedir un PCB a un fabricante chino.

Desde hace unos años el coste de mandar a fabricar una placa de circuito impreso a China es muy bajo, por menos de $10 podemos pedir varias copias de un PCB que mandamos a fabricar, por lo que ponerse a hacer PCBs uno mismo ya no suele tener sentido ya que el coste en tiempo es alto, hay que tener materiales para hacerlo, y el resultado y las características del PCB son mucho peores que las de uno mandado a fabricar (que suelen ser iguales que los encontrados dentro de cualquier producto electrónico comercial).

Fabricantes de PCBs chinos.

Muchos son los fabricantes o intermediarios chinos que nos ofrecen servicios de fabricación a medida a través de sus páginas web (mi correo está lleno de spam de ellos). Tras probar 4 ó 5 distintos voy a recomendar a Elecrow, lo llevo usando los últimos años para prototipos y  pequeñas series, les habré pedido cerca de 40 diseños de PCBs distintos (varios cientos de PCBs) y todos ellos llegaron bien y con la calidad esperada.

Si nos vamos a su página web y a la sección de servicios vemos que nos ofrecen todos los servicios necesarios para la creación y venta de un producto electrónico: diseño del esquemático y del PCB, fabricación del PCB, montaje del PCB, diseño y manufactura del recipiente mecánico e incluso venta y envío a los clientes finales que pudieramos tener. De todos ellos la fabricación del PCB es el proceso más estandarizado, nosotros les mandamos unos archivos de fabricación estandarizados y ellos “pulsan un botón” y fabrican el PCB, de dicha estandarización el bajo coste.

El resto de servicios distintos a la fabricación del PCB son más personalizados, dependen de las características y necesidades del producto y cliente (nosotros). Por tanto la iteración con ellos ha de ser mucho mayor y habría que comparar su coste (y los posibles contratiempos de la distancia) frente a hacerlo de manera local.

En su página en el servicio de PCBs encontramos lo siguiente:

Un servicio de fabricación normal y uno premium. El servicio de fabricación regular es el económico donde nos dan un precio para unas características/restricciones de PCB (dimensiones de pcb máximas, espacio mínimo entre pistas, etc..). Mientras que el servicio premium abarca los PCBs que no se pueden fabricar con las características ofertadas dentro de su servicio normal, es un servicio a medida más personalizado en el que el precio es mayor. He pedido varios PCBs con su servicio premium (rígido y flexible) y el resultado ha sido bueno.

Mi idea es detallar el servicio normal, ya que si estás leyendo esto es porque estás comenzando a hacer PCBs, y por tanto esos PCBs probablemente estarán dentro de las restricciones de este servicio.

Si nos vamos a la página de su servicio normal nos encontramos con una página con distintas opciones que hemos de rellenar para encargar la fabricación del PCB. Detallaré las distintas opciones y restricciones de diseño, explicando en qué consiste un PCB y qué necesitamos para diseñarlo.

Lo primero que vemos en el enlace anterior es un botón “Add your Gerber” que nos solicita los archivos de fabricación del PCB, para generar estos ficheros de fabricación necesitamos un programa de diseño electrónico. Los programas donde elegir son muchos, voy a nombrar los que son desde mi punto de vista los tres principales: Altium, Eagle y Kicad.

Programas de diseño electrónico.

  • Altium (enlace): es el programa de diseño electrónico más utilizado en la industria y de los más completos, tiene muchas opciones por lo que llegar a dominarlo lleva tiempo. Si nuestra idea es dedicarnos profesionalmente al diseño de PCBs probablemente Altium sea la mejor opción, ya que tarde o temprano nos tocará terminar o modificar el diseño de otra persona, y es muy posible que los ficheros estén en Altium. Pasar los archivos de un programa a otro puede ser difícil. La pega de Altium es su precio (sobre los 5000 euros o más, no lo sé con exactitud), por lo que para muchas personas que estén empezando y tengan que pagar una licencia no suele ser una opción viable.
  • Eagle (enlace): también se usa a nivel de industria (aunque mucho menos que Altium) y probablemente es el más usado a nivel de aficionados, placas como Arduino y similares se diseñaron con Eagle, lo que provocó que gran parte de la comunidad de “hardware libre” lo utilizará para sus diseños. Con él podemos hacer cualquier tipo de PCB y no se tarda mucho en aprender a utilizarlo, su coste es menor que Altium (sobre 1000 euros costaba la versión completa hasta que lo compró Autodesk y cambió la licencia a un pago mensual). Tiene una versión gratuita con la que se pueden hacer placas de unas dimensiones máximas (80 cm^2) y solo dos capas, por lo que la versión gratuita al permitir solo dos capas está muy limitada. También tiene versiones más económicas de 6 capas y 160 cm^2 que si pueden valer para muchos diseños.
  • Kicad (enlace): no lo conozco mucho, es un programa libre que nos permite hacer PCBs a un nivel profesional como con los anteriores. Podemos usarlo en su versión completa sin ningún coste, en los últimos años ha mejorado bastante ya que sitios como el CERN están trabajando en su desarrollo. Si quieres un programa completo y gratuito Kicad es la primera opción, hoy en día cualquier proyecto de hardware libre debería hacerse con este tipo de iniciativas (a nivel de aficionado es posible que acabe desplazando a Eagle).

Si no conoces un programa de diseño electrónico cualquiera de los anteriores es bueno, si te vas a dedicar a diseñar PCBs a nivel profesional, entra en presupuesto y su amortización es viable Altium es la mejor opción. Si el coste es un impedimento pues decidiría entre Eagle (más económico que Altium) y Kicad (gratuito y mejorando mucho en los últimos años). Como curiosidad la primera versión de Kicad data de 1992, Eagle de 1988 y Altium (Protel) de 1985, por lo que hay muchos años de desarrollo en ellos.

En esta entrada del blog voy a utilizar la versión 7 de Eagle ya que tengo su licencia y suelo usarlo para la mayoría de proyectos. Lo llevo usando desde la versión 4 y en su día (año 2004) era una de las opciones más atractivas, hoy en día si no conociese ninguno de los dos evaluaría usar Kicad antes que Eagle.

Por lo general para hacer un pcb los programas de diseño electrónico tienen tres partes principales: librerías de componentes, esquemático y layout.

  1. Las librerías de componentes están compuestas por los distintos componentes electrónicos con los que vamos a construir un circuito, conectandolos mediante un PCB. Cada componentes consta como mínimo de un símbolo y un footprint como se puede ver en la siguiente imagen:

    Componentes electrónico en una librería: símbolo + footprint.

    El símbolo del componente se usa en el esquemático y el footprint en el layout (lo explico más adelante).

    El símbolo del componente está formado por los distintos pines/patillas del componente, cada uno identificado por su nombre, conectaremos los pines de los símbolos de los distintos componentes que añadimos a nuestro diseño entre ellos para formar un circuito electrónico.

    El footprint es la huella del componente electrónico que vamos a utilizar en nuestro PCB, esta huella ha de tener las dimensiones adecuadas para permitir la soldadura del componentes electrónico al PCB. En la siguiente imagen podemos ver un componente electrónico con encapsulado SSOP28 y su footprint correspondiente en un PCB.

    Componentes electrónico y su footprint en un PCB.

    El tamaño del footprint ha de ser del tamaño adecuado para la soldadura de los pines del componentes electrónico al PCB, en la siguiente imagen vemos el componente anterior sobre su footprint.

    Componente electrónico sobre su footprint.

    Hay millones de componentes electrónicos distintos con miles de encapsulados, lo primero que tenemos que hacer cuando diseñamos un PCB es tener en nuestra librería de componentes electrónicos los componentes que vamos a usar.

    Todos los programas de componentes electrónicos vienen con librerías de los componentes más usados por defecto, pero rara vez encontraremos todos los que necesitamos en esas librerías para nuestro diseño. Ya que cada día salen nuevos componentes electrónicos, muchas veces nos va a tocar crear el componente electrónico (dibujar su símbolo, footprint y conectarlos entre ellos) dentro de la librería, en el datasheet del componentes electrónico que vayamos a usar encontraremos la información necesaria para crear el componente en nuestra librería.

    Estar creando componentes electrónicos en las librerías lleva tiempo, por lo que antes de crearlos la primera opción es buscarlos siempre en internet, a ver si lo podemos encontrar ya hechos para nuestro programa y descargarlos. Algunos fabricantes de componentes electrónicos suben las librerías de sus componentes para ser usadas por los principales programas de diseño electrónico, también podemos buscarlos en google, o irnos a páginas como SnapEDA donde podemos buscar componentes electrónicos ya hechos y descargarlos para nuetras librerías de forma gratuita (hay otras que son de pago).


    Siempre que descarguemos un componentes electrónico de internet, hay que comprobar con el datasheet de éste que el símbolo y footprint que descargamos son los correctos. Si no lo hacemos se puede dar el caso en el que mandemos a fabricar un PCB en el que las conexiones son incorrectas debido a que el símbolo estaba mal, o no podamos soldar el componente al PCB debido a que las dimensiones del footprint no eran las correctas.

  2. El esquemático: aquí iniciamos la creación de todo proyecto electrónico, en el esquemático vamos añadiendo los componentes electrónicos que vamos a usar en nuestro diseño. Cada vez que se añade un componente electrónico en el esquemático su símbolo aparece en éste, y su footprint aparece en el layout. Interconectando los pines de los símbolos de los componentes en el esquemático creamos el circuito que más tarde rutearemos (dibujaremos) en el layout. En la siguiente imagen se puede ver un esquemático con distintos componentes electrónicos conectados entre ellos.

    Esquemático

  3.  El layout es el PCB que vamos a diseñar, el footprint de los componentes que hemos añadido y conectado sus símbolos en el esquemático se encuentran en el layout con esas mismas conexiones.

    Footprints en el layout.

    Mediante pistas en el layout unimos las distintas conexiones de los footprints de los componentes, como se puede ver en la siguiente imagen, creando el PCB que mandaremos a fabricar.

    Layout del PCB.

    El PCB lo deberemos rutear (dibujar las conexiones entre componentes) según las limitaciones/restricciones del fabricante de PCBs que vayamos a usar. Antes de detallar las limitaciones y distintas opciones que ofrecen los fabricantes de PCBs (en su opción económica) comentar lo que es un PCB.

La placa de cirucito impreso o PCB.

Una placa de circuito impreso es uno o varios planos de cobre sobre una superficie aislante, en el plano de cobre se dibujan los PADs (el footprint o huella del componente)  donde se sueldan los componentes electrónicos, y las pistas que conectan dichos componentes.

Placa de circuito impreso.

En la imagen superior vemos un PCB con los footprints (en dorado) donde se sueldan los distintos componentes, y las pistas (en verde) que realizan las conexiones entre los footprints ( componentes ) anteriores para formar un circuito electrónico.

Por lo general la dificultad en el diseño del PCB es función de la frecuenia de las señales que tegamos en nuestro circuito. Si la frecuencia es baja realizar un PCB puede ser tan sencillo como unir las conexiones de los distintos componentes (de cualquier forma), solo teniendo en cuenta el dejar pistas anchas cuando van a circular corrientes altas por ellas. Mientras que a frecuencias altas o donde tengamos que pasar certificaciones, el diseño del PCB puede ser la parte más compleja del proyecto. Una pista a alta frecuencia ya no es una simple conexión si no un elemento con un retardo y con propiedades electromagnéticas, el elemento aislante también tiene unas propiedades que hemos de considerar a alta frecuencia.

En este post no voy a hablar sobre cómo diseñar un PCB (hay libros sobre ello), si no sobre cómo fabricarlo y entender las distintas opciones y restricciones de fabricación. Como no quiero hacer entradas del blog muy largas (incómodas de leer) y aún me queda mucho que contar, voy a partir esta entrada del blog en varios posts.

Continua en el siguiente enlace: Cómo hacer un PCB: parte 2.