Diseño colaborativo de ECAD/MCAD para fabricación de PCB con impresoras 3D

Zachariah Peterson
|  Created: July 14, 2019  |  Updated: September 10, 2020
Diseño colaborativo de ECAD/MCAD para la fabricación de PCB con impresoras 3D

Es una ironía que el diseño de PCB haya ayudado a impulsar la adopción de nuevas tecnologías en todos los sectores, incluida la automatización de la fabricación, a pesar de que los propios procesos de fabricación de PCB no hayan atravesado una innovación radical en muchas décadas. Algunas empresas innovadoras quieren cambiar esto y llevar la fabricación de PCB a Industria 4.0.

PCB manufacturing with a 3D printerLas futuras instalaciones de fabricación de PCB con impresoras 3D podrían tener este aspecto

La impresión 3D ya está impulsando nuevas metodologías de fabricación, como las de “luces apagadas” y digital, en todos los sectores. Y el sector de fabricación de PCB no es una excepción, con ejemplos notables de empresas que proporcionan sistemas completos para prototipado de PCB en un solo proceso.

Aquí es donde el software ECAD tiene que ponerse al día. Los diseñadores que quieren crear PCB con impresoras 3D tienden a usar programas ECAD para diseñar sus esquemáticos y composiciones, y luego deben generar otra vez sus diseños en software de modelado mecánico. Afortunadamente, hay nuevas herramientas de colaboración ECAD/MCAD que ahorran a los diseñadores una gran cantidad de tiempo a la hora de crear placas PCB  con una impresora 3D.

Diseño para fabricación aditiva de PCB

Al diseñar PCB para fabricación aditiva, los aspectos mecánicos del diseño adquieren un nuevo grado de importancia. El uso de la impresión 3D para la fabricación proporciona a los diseñadores mucha más libertad para crear nuevas arquitecturas de interconexión, placas con formas únicas e incluso placas con geometría no plana. Aquí se incluyen dispositivos de interconexión moldeados, componentes impresos en placas curvas e incluso placas PCB totalmente flexibles. Los diseñadores se ven libres de muchas de las restricciones que imponen los procesos sustractivos de fabricación de PCB tradicionales.

Cualquier diseñador que quiera crear una PCB para usar en un sistema aditivo deberá tener en cuenta los aspectos particulares del proceso de fabricación aditiva deseado al diseñar su placa. Los distintos sistemas aditivos se adaptan específicamente al uso con diferentes materiales, y no todas las placas podrán fabricarse con cualquiera de los sistemas aditivos. Diferentes materiales impondrán diferentes restricciones a la planaridad de una placa determinada, a la arquitectura de interconexión fabricable y a las propiedades mecánicas de un dispositivo acabado.

3D printed circuit board

El sistema de fabricación aditiva adecuado permite la impresión de circuitos impresos mucho más pequeños que éste

Además de las limitaciones del material, diversos procesos aditivos tienen límites en la resolución de impresión 3D y requieren diferentes tiempos de proceso y operadores con diferentes niveles de competencia. En términos de diseño, algunos procesos solo serán válidos para fabricación aditiva de PCB en sustratos rígidos, en lugar de imprimir sustratos y conductores simultáneamente. La resolución de impresión es un aspecto mecánico importante, ya que determina el tamaño más pequeño de una pieza conductora o aislante que se puede imprimir en 3D en una PCB.

Diseño para diferentes procesos de impresión 3D de circuitos impresos

Quizás la ventaja más importante de la impresión 3D es que ofrece a los diseñadores la posibilidad de crear una arquitectura de interconexión única que, de otro modo, no sería fabricable con los procesos de fabricación de PCB tradicionales. Esto posibilita el uso de arquitecturas como ELIC, VeCS y diseños únicos de microvías directamente en una PCB, tanto con arquitectura plana como no plana.

El proceso 3D en particular utilizado determinará si el sustrato y los conductores de una PCB pueden imprimirse en 3D simultáneamente –como en la impresión por inyección de tinta o en aerosol–, o si los conductores y un aislante dieléctrico deben imprimirse encima de un sustrato rígido –como en la extrusión de material–. Otros procesos, como la fusión de lecho de polvo o la sinterización selectiva por láser, no son las mejores alternativas para impresión 3D en fabricación de PCB.

3D printer for fused deposition molding

Cabezal típico de impresión de circuitos impresos para moldeo por deposición fundida

Algunas empresas innovadoras de fabricación aditiva están lanzando sus propios complementos para programas MCAD que ayudan a los diseñadores a adaptar el diseño para su uso con un sistema de fabricación aditiva. Al trabajar con un software de diseño eléctrico que se sincroniza con estos programas MCAD, ahora tienes un conjunto completo de herramientas de diseño eléctrico y mecánico que te permiten crear PCB para uso con sistemas de fabricación aditiva.

Consideraciones finales

En muchos sectores, como el aeroespacial y el de automoción, los sistemas de fabricación aditiva se utilizan para complementar procesos de fabricación y montaje tradicionales. La arquitectura de diseño simplificada y el procedimiento de impresión capa por capa utilizados en los procesos de fabricación aditiva conllevan costes similares o menores que los procesos sustractivos tradicionales. Como consecuencia, los componentes fabricados aditivamente tienden a tener un peso más bajo, se desperdicia menos material durante la fabricación y las piezas terminadas aún se pueden usar en un proceso de montaje tradicional.

Y la fabricación de PCB no es ninguna excepción. Una placa puede imprimirse completamente, ya sea sobre un sustrato rígido o en su totalidad como un solo dispositivo, y una vez terminada puede enviarse a un proceso de montaje tradicional. Los ingenieros y diseñadores de fabricación deben esperar que los futuros sistemas de fabricación aditiva de PCB se integren con máquinas automáticas de soldadura y de selección y colocación (pick-and-place) para eliminar los pasos de montaje manual.

Las herramientas de diseño, simulación y verificación de Altium Designer® ahora se pueden integrar con las funciones de colaboración de MCAD de Altium Concord Pro®, lo que proporciona a los diseñadores un conjunto completo de herramientas de diseño para fabricación aditiva de PCB. Las funcionalidades de ECAD de Altium Designer ofrecen a los diseñadores el conjunto de herramientas necesarias para crear una composición eléctrica completa, y Altium Concord Pro permite importar un modelo eléctrico integral en programas MCAD populares. Los aspectos mecánicos y eléctricos de una placa se pueden diseñar en paralelo, lo que ahorra, en definitiva, a los diseñadores una cantidad considerable de tiempo y hace que sea muy fácil diseñar un dispositivo para uso en un proceso de fabricación aditiva.

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Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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