CAD (Computer Aided Design)

CAD
(Computer Aided Design)
Que es el CAD?
Es un término usado para referirse al método de diseño
computarizado. Suele emplearse en la planificación de
diseños automovilisticos, aereos, arquitectónicos, y de
circuitos electrónicos.
Un software CAD es una base de datos de entidades
geométricas (puntos, líneas, arcos, etc) que puede ser
manipulada desde una interfaz gráfica; permite
diseñar en dos o tres dimensiones mediante
geometría alámbrica, esto es, puntos, líneas, arcos,
superficies y sólidos para obtener un modelo
numérico de un objeto o de un circuito.
Evolución del CAD
El Dr. Patrick J. Hanratty
es conocido como “el padre de CAD/CAM” por
sus
contribuciones pioneras al campo del diseño y fabricación
automatizada, desarrolló en 1957 PRONTO, el sistema de
programación del primer control-numérico. El ideó un sistema
de caracteres estandardizados legibles por la máquinas de
cheques en los bancos de EEUU que aun hoy es utilizado.
En 1961 va a los laboratorios de investigación de General
Motors en donde
ayudó a desarrollar DAC, (diseño
automatizado por Computador), el primer sistema de CAD/CAM
para utilizar gráficos interactivos. Los esfuerzos de Hanratty en
el proyecto se concentraron en el control numerico y los
gráficos del sistema total.
Evolución del CAD
Ivan E. Sutherland
Su tesis de Ph.D. en el Instituto Tecnológico de
Massachusetts en 1963, Un sistema de
comunicaciones gráfico antropomecánico.” Dejó a
diseñadores utilizar un lightpen para crear dibujos de
ingeniería directamente en una CRT. Los dibujos
podían también ser manipulados, ser duplicados, y ser
almacenados.
Evolución del CAD
Ivan E. Sutherland
El bloc de bocetos abrió la puerta en el gráfico a
computador e incluyó las características tales
como memoria de computadora para almacenar
objetos dibujados. Sutherland también ayudo a
desarrollar los primeros algoritmos que quitaron
“líneas ocultadas” en los dibujos 3D, esenciales
en la generación de los renderings realistas para
el modelado CAD.
Evolución del CAD
Ivan E. Sutherland
Como profesor asociado en Harvard en 1967,
Sutherland y un estudiante, Bob Sproull,
modificaron un sistema existente un piloto del
helicóptero se colocó una cámara fotográfica
moviendo su cabeza; la nueva invensión permitió
a los espectadores navegar a través de un
ambiente originado en ordenador 3D. Fué el
primer trabajo hecho en tecnología de realidad
virtual y tendría implicaciones de gran
envergadura mas adelante.
Evolución del CAD
Ivan E. Sutherland
En 1968, Sutherland conformó con David Evans
una compañía que fué una de las primeras
desarrolladoras de sistemas de proyección de
imagenes por computadora. Es también el
surtidor principal del equipo visual de simulación
usado para el entrenamiento de pilotos de avión.
Evolución del CAD
Ivan E. Sutherland
De 1976 a 1980, Sutherland junto con el profesor
Carver Mead, introdujo el diseño del circuito
integrado (IC) a la academia. Hasta entonces, el
diseño del IC ocurria solamente en algunas
compañías industriales. Las universidades lo
encontraron demasiado difícil o demasiado
mundano para enseñar. Este acercamiento ha
resultado en una generación de diseñadores de IC
que han acelerado la tecnología de los chips y la
misma fundación de Silicon Valley.
Carver Mead
Es informático prominente de los E.E.U.U. del
California Institute of Technology (Caltech), lleva
enseñando allí por más de 40 años.Ingeniería
eléctrica Carver Mead y Lynn Conway co-escribió la
introducción del señales a los sistemas del VLSI en
el año 80. El cual es un libro basico que se ha
utilizado en la enseñanza de diseño de circuitos
integrados de VLSI por todo el mundo y por
décadas.
The Electronic Design
Automation (EDA)
and Electronic Computer-Aided
Design (ECAD)
Tango
OrCAD
Workbench
CircuitMaker
Cómo crear un tablero del circuito
impreso
(PCB)
Printed Circuit Board
Diagrama de Flujo
Pasos en la construcción de PCB
Los pasos principales en el proceso de diseño y
fabricación de un PCB se resumen así
1. diseño a mano del circuito y prueba del prototipo.
2. Utilizar Software (circutMaker) para realizar.
esquematico.
3.Generacion del PCB ( TraxMaker).
4. fabricación con Herramienta CAM o
Artesanalmente y Prueba.
5. Generar Documentación
La mayoría de los diseños comienzan con un plano
dibujado a mano del diagrama esquemático y del
diseño.
Luego se hace el prototipo y se prueba para verificar
que el diseño trabaja correctamente.
Luego usando software EDA se construye una
versión electrónica del diagrama esquemático, y se
crea un archivo netlist.
Se utiliza otro software para crear el PCB, allí se
ponen los componentes y se enrutan las conexiones.
Se crean los archivos físicos de Gerber.
Estos archivos se utilizan en un sistema prototyping
para debastar , perforar, y cortar el substrato del
PCB.
Se sueldan los componentes al substrato.
Finalmente se prueba al tablero para verificar que
trabaja según lo esperado.
1) El Diseño
El prototipo
2) Captura del esquemático
CircuitMaker es una herramienta EDA en
ambiente Windows, que permite el dibujo de
esquematicos electrónicos, simulación de
circuitos , el trazado de PCBs y genera
tambien archivos para Maquinado.
Anatomía de un esquemático
Archivos de CircuitMaker
.CKT Esquematicos
.DAT Arcivo de datos(Hotkeys;tecla r =1K
clasificaciones de la biblioteca de dispositivos)
.LIB Archivos biblioteca de dispositivos
.MOD Archivos de modelos (2n2222)
.SUB Subcircuitos (741)
.SDF Archivos de formas de onda
Inicio en CircuitMaker.
Usando la barra de herramientas.
Herramientas de simulación
Menu Click derecho
Espacio de trabajo
Cablear un esquemático
Pasos a seguir
• seleccionamos el dispositivo Hojeando
• seleccionamos un transistor
• seleccionamos los resistores
• seleccionamos una fuente +V y una tierra
• cambiamos los valores del resistor y del
transistor
• cableamos el circuito
Editar elementos
Chequear conexiones
Simulación
Análoga
Digital
Análoga
Digital
Spice
Este campo se utiliza para especificar los datos de la
simulación del dispositivo.
Se utiliza el simbolo por ciento (%) como una bandera
donde comienza un campo
algunos campos son
Designación (%D) R1
Valor (%V) 10K
Ejemplo Spice
Ejemplo
Si el resistor R3 tiene un valor de 27 ohmios y está conectado entre el
nodo 5 y la tierra, los datos de Spice para R3 se podrían escribir como:
R3 5 0 27ohms Sin embargo, usando una forma generalizada de los
datos de Spice pueden ser actualizados automáticamente si los artículos
tales como designaciones o números del nodo cambian. Por ejemplo, los
artículos en el ejemplo antes dicho se pueden substituir por lo siguiente
PCB y GERBER.
TraxMaker
• Es una poderosa herramienta de trazado para
placas de circuitos impresos
• Permite enrutado punto a punto
• Autorutado a traves de netlist
• Generacion de archivos para maquinado.
• Generar nuevos elementos (encapsulados)
• Edición del tamaño de todos los
componentes del trazado (caminos ,pads etc)
• Generación de PCB multicapa
Ambiente TraxMaker
La Netlist
Listado de elementos y las conexiones que
conforman el circuito, Formato ASCII archivos
.DAT
puede ser leido en un editor de texto
Manufactura de la tarjeta
Historia
El inventor del circuito impreso es probablemente el
ingeniero austriaco Paul Eisler (1907-1995) quien,
mientras trabajaba en Inglaterra, hizo uno alrededor de
1936, como parte de una radio. Alrededor de 1943, los
Estados Unidos comenzaron a usar esta tecnología en gran
escala para fabricar radios que fuesen robustas, para la
Segunda Guerra Mundial. Después de la guerra, en 1948,
EE.UU. liberó la invención para el uso comercial
Materiales Involucrados
Bakelita
Papel prensado
Fibra de Vidrio
Cobre
Soldadura
Flux
limpiadores
Fuente de calor
Pegante
Sustratos
Los sustratos de los circuitos impresos utilizados en la
electrónica de consumo de bajo costo, se hacen de papel
impregnados de resina fenólica, a menudo llamados por su
nombre comercial Pértinax. Usan designaciones como XXXP,
XXXPC y FR-2. El material es de bajo costo, fácil de
mecanizar y causa menos desgaste de las herramientas que los
sustratos de fibra de vidrio reforzados. Las letras ""FR"" en la
designación del material indican Resistencia a las Llamas
(Flame Resistance en inglés).
Procedimientos de Fabricación
La gran mayoría de las tarjetas para circuitos impresos se hacen
adhiriendo una capa de cobre sobre todo el sustrato, a veces en
ambos lados (creando un circuito impreso virgen), y luego
removiendo el cobre no deseado después de aplicar una máscara
temporal (por ejemplo, grabandola con percloruro férrico),
dejando sólo las pistas de cobre deseado. Algunos pocos
circuitos impresos son fabricados al agregar las pistas al
sustrato, a través de un proceso complejo de
electrorecubrimiento múltiple. Algunos circuitos impresos
tienen capas con pistas en el interior de éste, y son llamados
cicuitos impresos multicapas.
Procedimientos de Fabricación
Manual Estampado
Fotograbado
Automatico CAM(microfresado)
Estampado
La impresión serigráfica utiliza tintas resistentes al grabado
para proteger la capa de cobre. Los grabados posteriores
remueven el cobre no deseado. Alternativamente, la tinta puede
ser conductiva, y se imprime en una tarjeta virgen no
conductiva.
Fotrograbado
El fotograbado utiliza una fotomecánica y grabado químico
para remover la capa de cobre del sustrato. La fotomecánica
usualmete se prepara con un fotoplotter, a partir de los datos
producidos por un programa para el diseño de circuitos
impresos. Algunas veces se utilizan transparencias impresas en
una impresora Láser como fotoherramientas de baja resolución.
Microfresado CAM
El fresado de circuitos impresos utiliza una fresa mecánica de 2
o 3 ejes para remover el cobre del sustrato. Una fresa para
circuitos impresos funciona en forma similar a un plotter,
recibiendo comandos desde un programa que controla el
cabezal de la fresa los ejes x, y y z. Los datos para controlar la
máquina son generados por el programa de diseño, y son
almacenados en un archivo en formato HPGL o Gerber.
Baño acido
Luego de hacer estampado o fotograbado
sumergimos las placas en acido corrosivo del
metal(cloruro ferrico)
Este agente retira el excedente de metal
conductor desprotegido de la pintra o emulsion
Perforado
Las perforaciones, o vías, del circuito impreso se taladran con
pequeñas brocas hechas de carburo tungsteno. El perforado es
realizado por maquinaria automatizada, controlada por una
cinta de perforaciones o archivo de perforaciones. Estos
archivos generados por computador son también llamados
taladros controlados por computador (NCD por sus siglas en
inglés) o archivos Excellon. El archivo de perforaciones
describe la posición y tamaño de cada perforación taladrada.
Estañado y máscara
antisoldante
Los pads y superficies en las cuales se montarán los
componentes, usualmente se metalizan, ya que el cobre al
desnudo no es soldable fácilmente. Tradicionalmente, todo
el cobre expuesto era metalizado con soldadura. Esta
soldadura solía ser una aleación de plomo-estaño, sin
embargo, se están utilizando nuevos compuestos para
cumplir con la directivas de la UE, las cuales restringen el
uso de plomo. Las áreas que no deben ser soldadas pueden
ser recubiertas con un polímero resistente a la soldadura, el
cual evita cortocircuitos entre las patas cercanas de un
componente
Soldadura de componentes
.
La Soldadura es un metal fundido que une dos piezas de metal,
de la misma manera que realiza la operación de derretir una
aleación para unir dos metales, pero diferente de cuando se
soldan dos piezas de metal para que se unan entre si formando
una unión soldada.
SnPb
En la industria de la electrónica, la aleación de estaño y plomo
es la más utilizada, aunque existen otras aleaciones, esta
combinación da los mejores resultados. La mezcla de estos dos
elementos crea un suceso poco comun. Cada elemento tiene un
punto elevado de fundición, pero al mezclarse producen una
aleación con un punto menor de fundición que cualquiera de
los elementos .
Teoria de soldado
Antes de hacer una union, es necesario que la soldadura "moje"
los metales básicos o metales base que formaran la unión. Este
es el factor mas importante al soldar. Al soldar se forma una
unión intermolecular entre la soldadura y el metal. Las
moleculas de soldadura penetran la estructura del metal base
para formar una extructura sólida, totalmemte metálica.
Soldadura
Aleación Estándard: 63% de Estaño y 37% de Plomo
La aleación eutectica 63% de Sn y 37% de Pb es una
aleación especial donde la fusion ocurre a una sola
temperatura que es de 183º C (361º F).
Impurezas Metálicas: Pueden:

Causar defectos severos de cortos

Debilitar la resistencia de la union de la soldadura.

Incrementar la razón de formación de escoria.

Causar uniones opacas o granulosas.
Eutéctica
Flux

Reduce óxidos en todas las superficies involucrados en la
unión de soldadura.

Reduce la tensión superficial de la soldadura fundida.

Ayuda aprevenir la reoxidación de la superficie durante
la soldadura.

Ayuda a transferir calor a las superficies a soldar.
Tipos Flux
R – Resina, fue el primer flux utilizado en la electrónica y aun es
empleado. Esta hecho de savia que emana de algunos arboles (no
haluros/no ácidos organicos). Adecuado para limpieza con
solvente/saponificador. Este flux debe de ser lavado.
RMA – Resina Media Activada (haluros limitados, ácidos orgánicos
debiles limiados)Adecuado para limpieza con solvente/saponificador
RA – Resina Activada (haluros/ácidos orgánicos débiles). Usado por
algunos como no-clean, usualmente con solvente/saponificador
Un haluro es un compuesto binario en el cual una parte es un átomo
halógeno y la otra es un elemento o radical que es menos
electronegativo que el halógeno. Según el átomo halógeno que forma
el haluro éste puede ser un fluoruro, cloruro, bromuro o yoduro.
Herramientas para Soldado
Manuales Estación PACE
Semiautomáticas Olas DIP
Automáticas Hornos de Reflujo SMD
Estación MBT250 PACE
Máquina de olas
Impresión de pasta y Hornos de
reflujo
GRACIAS