Placas de Circuito Impreso Com EAGLE

Realización de placas de circuito impreso Armando Sanca Sanca.

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En el presente documento se realizará una explicación a modo de tutorial para la realización completa de una placa de circuito impreso. Para esto se utilizará la herramienta de desarrollo EAGLE y la impresión en cobre

mediante “el método de planchado”.

Tareas por realizar en documento

- Descripción de edición manual en Layout - Creación de librerías y componentes

Creando el esquemático

Se dará una explicación breve para aprender a usar Eagle con las máximas capacidades de una manera rápida. Se construirá una tarjeta para un control con un PIC de Microchip, que leerá una brújula digital CMPS03 mediante I2C, que poseerá un conector DB9 para conectarse a un PC mediante la puerta serial y que poseerá el puerto B como un bus para la salida.

Se abre la aplicación Eagle mediante Inicio/Programas/Eagle Layout Editor/Eagle. Aparecerá una ventana similar a la siguiente:

Para comenzar, se debe crear un esquemático. Esto se hace mediante File/New/Schematic. Se abrirá una ventana similar a la que aparece a continuación:

A la izquierda aparece la barra principal de herramientas para realizar el diseño. Esta barra de herramientas

se detalla a continuación:

Moviéndose en Eagle

Para moverse en la ventana, se usa el botón central del mouse. Al dejarlo presionado y mover el mouse, realizará paneo del dibujo. Si el mouse posee rueda (wheel), al hacerla girar, se acercará o alejará (zoom).

Agregando componentes

Para comenzar, se agregarán los componentes. Esto se realiza usando el botón de la barra, o el comando

add. Aparecerán todas las librerías que han sido incluidas. Se desplegará una ventana como la siguiente:

En la lista superior aparecen las librerías instaladas. A la derecha aparece el diagrama del esquemático, el encapsulado y una descripción. Los encapsulados Thru-hole poseen terminales verdes; los SMD, rojo oscuro.

Información

Mostrar / ocultar capas

Mover

Espejo

Seleccionar grupo

Cortar (copiar)

Eliminar

Cambiar pines

Cambiar nombre de componente

Separar etiquetas de componente

Dividir

Crear Línea

Crear Circunferencia

Crear Rectángulo

Crear Bus

Unir Líneas

ERC (chequeo de reglas eléctricas)

Mostrar/ buscar Elementos

Insertar marca de referencia

Duplicar

Rotar

Cambiar atributo

Pegar

Agregar

Cambiar compuertas (*)

Cambiar valor de componente

Redondear líneas

Invoke (Insertar componentes multi-elementos)

Agregar Texto

Agregar Arco

Agregar Polígono

Mostrar nombre de nodo

Conectar net

En el cuadro de texto inferior se puede aplicar un filtro de búsqueda. Por ejemplo, en este caso, para agregar al microcontrolador PIC16F877A se puede buscar mediante “*pic*”. Una vez seleccionado el componente y

comprobado el correcto encapsulado, presiona sobre OK y se ubica en el esquemático. Se puede rotar el componente, presionando el botón derecho del mouse, o mostrar el “espejo” (mirror), al presionar el botón central del mouse. Con el botón izquierdo se fija el componente. Se dará la opción de agregar nuevamente el mismo componente. Si se desea agregar un componente diferente, se presiona ESC, y aparecerá nuevamente la ventana para seleccionar componente. Presionando nuevamente ESC se vuelve a la ventana

del esquemático. El botón “Drop” de la ventana ADD agregar componentes quita la librería seleccionada en la lista izquierda. En caso que el componente buscado no aparezca, se puede agregar la librería mediante desde Library/Use..., y seleccionando el archivo que contenga al componente. En caso que no exista el componente, debe crearse. Una explicación

Para este ejemplo se requieren los siguientes componentes:

Nombre Cantidad Descripción

PIC16F877P 1 Microcontrolador PIC

XTAL/S 1 Cristal para oscilador

C-EU050-030X075 2 Condensadores 22pF para oscilador, 5mm entre agujeros

R-EU_0204/7 3 Resistencias, separación 7.5mm entre agujeros

FE09-1 1 Female Header de una fila, para conectar brújula

MAX232 1 Transciever RS232

10-XX 1 Switch para reset

F09H 1 Conector DB9 para puerto serial, hembra

VCC Alimentación

GND Conexión a tierra

52048-02 1 Conector Molex de 2 pines para alimentación

Conectando los componentes

Se comenzará con las conexiones para los cristales. Esto se realiza usando el comando net o el botón .

Se conectan ambos componentes del cristal a 2 condensadores, los que van en su otro extremo conectados a tierra. Los terminales del cristal además van conectados a los pines OSC1 y OSC2 del PIC (pines 13 y 14). En la figura siguiente se muestra el resultado antes y después.

Al agregar líneas se puede elegir la forma que seguirá la línea, presionando el botón derecho del mouse.

Nota: Se puede usar también el comando wire o el botón ; sin embargo, crear líneas del último tipo

indicado.

Seleccionando componentes

La selección de componentes es utilizada en casi todas las herramientas. Cuando existen componentes muy cercanos entre sí, Eagle permite determinar cuál es el que realmente se está seleccionando. Para ello inicialmente resalta un elemento. Si ése no es el elemento que se desea seleccionar, se presiona el botón

derecho, y se iluminará otro. Cuando sea el elemento deseado, se presiona el botón izquierdo, y se puede realizar la acción de la herramienta.

Creando Buses

La creación de buses es una herramienta muy útil para eliminar el exceso de alambres en el esquemático.

Para realizar esto se deben realizar los siguientes pasos:

1. Crear un bus: Se realiza mediante el comando bus o el botón . Luego de crearse se debe asignar

un nombre, con el comando name o el botón . Se selecciona el bus y se le asigna el nombre del

tipo nombre_bus[inicio..fin]. En este caso se asignará el nombre PORTB[0..7].

2. Realizar las conexiones al bus. Para ello se usa el comando net o el botón . Se comienza la línea

desde el bus, y se selecciona la net a usar en el menú, que es similar al que se muestra en la

siguiente figura. Luego se elige el punto de destino de la línea.

Nota importante: Una vez que se crea un bus, la opción wire para agregar líneas queda por defecto en este tipo (agrega buses, de color azul). Para cambiarla nuevamente a nets (de

color verde) se debe escoger la opción 91 nets en el menú superior, o escribir el comando Layer Nets.

Acciones de edición con componentes

Agrupar componentes

Primero se debe seleccionar el grupo. Para esto, se usa el comando group o el botón . Al presionar el

botón izquierdo y dejarlo presionado, se selecciona un área rectangular. Si se presiona y se suelta, se crea un polígono, que es cerrado al presionar el botón derecho. Eagle sólo permite un grupo a la vez.

Mover componentes

Se realiza con el comando move o botón . Con el botón izquierdo del mouse se selecciona un

componente. Si se presiona el botón derecho, se selecciona el grupo. Para rotarlo, se presiona el botón derecho, para girarlo en espejo, se presiona el botón central del mouse.

Duplicar un componente

Para un solo componente, se usa el comando copy o el botón . Se elige el componente y se elige la ubicación del nuevo componente.

Duplicar un conjunto de componentes

Se deben previamente agrupar los componentes. Luego se usa el comando cut o el botón y se presiona

el botón derecho. Posteriormente se usa el comando paste o el botón , y se determina la ubicación de los

nuevos componentes.

Eliminar componentes

Se usa el comando delete o el botón . Luego se seleccionan los elementos a eliminar.

Mostrar elementos ocultos de componentes

Existen muchos circuitos que poseen más de un elemento por componente (por ejemplo, los elementos de la

familia TTL como inversores, compuertas AND, etc). Sin embargo, Eagle sólo muestra de a un elemento

cuando se agregan. Esto también sucede cuando hay componentes que en el diagrama principal no poseen alimentación (como el caso del MAX232). Siempre es recomendable explicitar esta conexión, por ejemplo, cuando hay componentes optoacoplados y las alimentaciones son distintas. También es útil cuando una disposición diferente de los componentes de un integrado facilitan el ruteo de las pistas.

Para realizar esto, se usa el comando invoke o el botón . Se selecciona el componente y se eligen las

compuertas a mostrar. En este caso, se seleccionó sobre el componente MAX232, y apareció el siguiente cuadro de diálogo:

Se elige la gate P y se presiona sobre OK. Aparecerán las conexiones VCC y GND de este componente. Una vez realizadas todas las conexiones, debería quedar una imagen similar a la siguiente:

Creando el layout

Una vez realizado el esquemático, se comienza a crear el layout. La versión estudiantil de Eagle permite realizar diseños de 10x12 cm, con dos capas, que es suficiente para muchas de las aplicaciones básicas.

Para comenzar el ruteo, se utiliza el comando board o el botón . En caso que no hay sido creado, se

preguntará si se desea crear desde el esquemático. Se responde afirmativamente. Aparecerá una ventana similar a la siguiente:

En caso que las conexiones sean incorrectas o falten o sobren componentes, se puede volver en cualquier

momento al esquemático a modificarlo, y automáticamente el layout se actualizará, siempre y cuando ambos estén abiertos. En caso contrario, pueden producirse inconsistencias entre el esquemático y el layout, que incluso puede generar que se pierda un layout.

Es labor del diseñador la ubicación de los componentes. Sin embargo, el ruteo de pistas se puede realizar en forma automática, aunque no es recomendable en su totalidad si no se ajustan adecuadamente los parámetros de ruteo (ancho de pistas, etc). A la izquierda aparece el menú de herramientas, similar al utilizado en la ventana del esquemático. La utilización de los comandos es similar al del esquemático, sólo se explicarán las herramientas que no son comunes.

Información

Mostrar / ocultar capas Mover

Espejo

Seleccionar grupo

Cortar (copiar) Eliminar

Cambiar pines

Cambiar nombre de componente

Separar etiquetas de componente

Dividir

Rutear

Crear Línea

Crear Circunferencia

Crear Rectángulo

Crear vía

Crear agujero

Ratsnest (rutas más cortas entre componentes)

ERC (chequeo de reglas eléctricas)

Mostar lista de errores

Mostrar/ buscar Elementos

Insertar marca de referencia

Duplicar

Rotar

Cambiar atributo Pegar

Agregar

Cambiar encapsulado (*)

Cambiar valor de componente

Redondear líneas Optimizar líneas Desrutear

Agregar Texto

Agregar Arco

Agregar Polígono

Definir conexión eléctrica (*)

Autorouter

DRC (chequeo de reglas de diseño)

Para verificar a primera vista la ubicación óptima de los componentes, es recomendable usar el comando rats

(ratsnest) o el botón .

En el modo de edición, en caso que se presione el botón central del mouse, para Eagle este componente quedará en la otra capa. En este caso, la ubicación final de componentes se muestra a continuación, reduciendo además las dimensiones de los bordes de la placa.

Cambiando el empaquetado de componentes

Una vez que los componentes están ubicados, se debe comenzar a rutear. Si se tienen físicamente, conviene en este momento verificar que coincidan con los utilizados en el layout. En este caso, se observa que los condensadores son un poco grandes en comparación a los que se pueden utilizar. Para cambiarlos se usa el

comando change o el botón y luego se elige Package. Se selecciona el componente y aparecerá un

cuadro de diálogo con los posibles encapsulados compatibles. Se selecciona el adecuado y se presiona sobre OK.

Otros usos de change serán explicados más adelante.

Una vez que todos estos pasos han sido realizados, se comienza a hacer el ruteo.

Rutear las pistas

Existen dos modos para rutear las pistas. El primero es el modo manual, en el cual el usuario realiza los caminos. El segundo es el automático, y en este caso es necesario asignar previamente las reglas de diseño en relación al tamaño de las pistas, separación, etc. El ruteo manual se debe realizar cuando Eagle ya no

encuentra rutas para las conexiones necesarias, o cuando se desea optimizar la ruta entregada por el programa.

Ruteo manual

Crear una pista

Para crear una ruta para una pista se usa el comando route o el botón . Con esta opción aparece la

siguiente barra de herramientas

Las primeras opciones tienen relación con el ruteo; las siguientes con los vías en caso que se traspase de una capa a la otra.

En caso que se deseen hacer placas de una sola cara, que utilicen componentes thru-hole, se debe realizar el ruteo por la capa bottom (inferior). Si son SMD, entonces la cara preferencial será la top (superior), para reducir la cantidad de vias necesarias.

En este caso, se puede realizar la placa por una sola cara, con componentes thru-hole, por lo que se usará la

capa inferior. Para comenzar a rutear, se selecciona uno de los pines. Una vez seleccionado, se mostrará la ruta que seguiría la pista. Al presionar el botón derecho, cambia el tipo de trazado, etiquetados en la figura anterior como “tipo de corte de pista”. Al presionar el botón izquierdo, define un vértice y, si no se ha llegado al otro extremo de la conexión, seguirá desde ese punto a rutear hacia otro. Haciendo doble clic sobre un punto, se finaliza el ruteo. Esto también se puede hacer presionando ESC.

En caso que se desee pasar de una pista a la otra, se debe presionar el botón central del mouse. Si esto se realiza en medio de una conexión, se creará una vía, de acuerdo a los parámetros indicados en la barra de herramientas. Se comenzará con las conexiones centrales del PIC para VCC y tierra. El resultado antes y después se

muestra a continuación.

Sin rutear Rutas capa inferior Ruta capa superior y con vía

Borrar una pista En caso que una pista quede mal ruteada, se puede eliminar el trazo, utilizando el comando ripup o el botón

. Se selecciona la pista, y ésta se borrará. En caso que se deseen desrutear todas las pistas, se puede

presionar sobre la herramienta e inmediatamente sobre el botón . Preguntará “Ripup all signals?”, y se presiona Yes en caso que se desee esta opción.

Si se hace clic sobre una conexión no ruteada, se desruteará toda la conexión.

Edición de pistas La edición de la posición de las pistas y vértices es similar al movimiento de componentes. En el caso que se desee crear un vértice en una línea ya ruteada, se debe utilizar el comando split o el botón

. Se selecciona la pista en el punto de corte, y luego se puede mover este punto. Con el botón derecho se

puede cambiar el tipo de trazo; con el izquierdo, se define el punto de vértice.

Para cambiar el ancho de las pistas, se usa el comando change o el botón seguido de la opción width y el ancho deseado. Se selecciona la pista deseada y ésta cambiará de ancho.

Ruteo Automático

Definición de parámetros de ruteo

Ventana de ruteo

Finalmente, Eagle generó el siguiente ruteo:

Se observa que no es muy bueno ni óptimo, por lo que se podría optimizar un poco manualmente.

Opciones de comando “Change”

El comando change posee muchas opciones. A continuación se indicarán las más importantes:

Capa de tierra

Ahora, Se agregará una “capa de tierra” a la placa. Esto reduce el tiempo de exposición de la placa en el ácido y además permite una homogeneidad de la tierra en el circuito. Esto se realiza creando un polígono

alrededor de la placa, mediante el comando polygon o el botón . Luego se cambia el nombre de este

polígono a GND, usando name o el botón , y automáticamente creará el polígono adecuado. El resultado se muestra a continuación.

También se puede realizar esto para las regiones restantes. Para ello se crea un nuevo polígono. Se

selecciona y se usa el comando rats o el botón . El resultado de esta operación se muestra a

continuación.

Método de planchado

Materiales

- Placa para circuito impreso (preferentemente fibra de vidrio) - Virutilla fina con jabón (tipo mago pads) u otro material no excesivamente abrasivo - Papel polyester. Este papel es similar al papel diamante (Velum), aunque es mucho menos poroso.

Con éste se logran los mejores resultados, pero puede ser también con mica o papel para transparencias.

- Lápiz indeleble de punta fina - Plancha

- Cloruro Férrico - Diluyente (acetona posiblemente también funcione)

En el caso que la impresión sea para una placa doble cara, es necesario realizar marcas de referencia para

realizar un calce entre ambas caras. Una manera es traspasar una capa, realizar perforaciones de referencia y luego traspasar la otra cara. De todos modos, este método no permite realizar vias.

1. Preparar la placa. Si se tienen las medidas de la placa se puede cortar en ese instante: Posteriormente se debe limpiar. Esto se realiza con la virutilla (con jabón) humedecida, tal que produzca espuma. Esto hará que al limpiarla no quede rayada. Posteriormente debe enjuagarse y secarse con alguna tela que no produzca pelusa.

2. Configurar el layout para su impresión. En la ventana Board se debe sólo mostrar las capas a

imprimir. Para ello se utiliza el botón show layout y mostrar sólo las capas 1 top o 2 bottom, 17 pads, 20 dimension, y 45 Holes en caso que sea necesaria, así también las capas de documentación y nombres y valores de componentes, aunque eso dependerá de la placa a imprimir (imprimir texto

puede causar problemas al retirar el cobre). En caso que no se quieran dejar visibles los agujeros de los pads se usa la opción Options -> set -> Misc -> Display mode -> No drills. Esto es útil en caso que los componentes sean diseñados en EAGLE a medida y no correspondan exactamente a las medidas reales, o que no se posean condiciones muy buenas para taladrar.

3. Imprimir. Una vez realizado el diseño (layout), se debe imprimir. Para ello, la capa superior (top) se imprime en reverso, y la inferior (bottom) en normal. Para imprimir en EAGLE se usa “file -> print”. Se debe usar las opciones “Black” y “Solid” para imprimir correctamente. Para imprimir en reverso se usa la opción “Mirror”. Con el botón “page” aparecen las preferencias de impresión. Se debe deseleccionar la opción “Caption” para que no imprima el nombre del archivo en la parte inferior. Se debe además definir la ubicación en la cual se imprimirá, tanto horizontal como vertical. Se requiere

que la impresión se realice en una impresora laser. En caso que no se posea, se puede imprimir en

una impresora de inyección de tinta y luego sacar una fotocopia en el papel polyester, aunque el ancho de las líneas más delgadas posibles será menor debido a la pérdida de resolución.

4. Traspasar el diseño. Una vez impreso, el papel se recorta y se ubica sobre la placa. Se aplica la plancha sobre el papel, en la temperatura entre polyester y nylon. No es necesario tanto tiempo de aplicación de calor. Posteriormente debe esperar que la placa se enfríe, para que el tóner quede en la

placa. Se debe retirar el papel, verificando el correcto traspaso del tóner al cobre. En caso contrario, se puede reaplicar calor, aplicar una nueva impresión procurando un calce lo mejor posible o repasar las partes mal traspasadas con el lápiz indeleble. Si el papel es de buena calidad, todo el tóner debiera quedar en el cobre. En caso que no se haya recortado la placa, éste es el momento de realizarlo

5. Aplicar el ácido. En un recipiente que sea ligeramente mayor que el tamaño de la placa, se agrega cloruro férrico u otra solución que retire el cobre. Idealmente ésta solución debe estar a 50ºC. Se aplica la placa y se mueve constantemente, hasta que el cobre no cubierto por el tóner esté completamente retirado. Esto tarda entre 5 y 10 minutos. No es recomendable sobreexponer la placa al ácido pues comenzará a retirar partes de cobre donde sí existía tóner aunque no se perciba. Posteriormente, se debe retirar la placa y enjuagarla con abundante agua. También se puede realizar

con la virutilla humedecida, aunque se puede correr el riesgo de adelgazar demasiado la capa de cobre y cortar o retirar pistas.

6. Limpiar la placa. Esto se realiza con diluyente. Se debe limpiar muy bien para evitar problemas

posteriores al soldar los componentes.

7. Taladrar. Se realizan las perforaciones restantes para colocar los componentes. Esto también se

puede realizar antes de limpiar, aunque los bordes de las perforaciones realizarán la limpieza más difícil.

Referencias

Tutorial de Eagle (en inglés)

http://myhome.spu.edu/bolding/EE4211/EagleTutorial4.htm