Diseñador de PCB Rick Hartley: Integridad de señal y gurú de alta velocidad

^{Hartley en los primeros días del diseño de PCB haciendo recortes de mylar a mano.}

Judy Warner: Rick, ¿comenzarás dándonos una breve historia de tus antecedentes, carrera y qué tipo de productos has diseñado?

Rick Hartley: Comencé mi vida en electrónica en 1965 a la edad de 20 años. Fui técnico durante varios años en un departamento de I + D, yendo a la escuela por la noche, estudiando ingeniería eléctrica. Después de un tiempo, me mudé al servicio de campo, pasé un par de años allí y luego me mudé a un departamento de ingeniería como "diseñador". Los "diseñadores" en esos días diseñaban placas de circuitos, empaques, mazos de cables, cables, cualquier cosa que estuviera en el producto, excepto el circuito en sí. Pasé varios años haciendo eso y luego, con suficiente educación en mi haber, me trasladaron a un rol de EE donde pasé varios años diseñando circuitos.

En un momento, mi jefe vino a mí y me dijo: "Mira, tienes un historial de diseño de PCB, tenemos mucho en la mesa en cuanto a placas de circuito. ¿Te importaría dividir tu tiempo 50/50 entre el diseño de circuitos y el diseño de placas de circuito durante los próximos seis meses? Le dije: "Claro, no me importaría en absoluto". Entonces, lo hice y después de seis meses me di cuenta de que mi verdadero amor estaba en el diseño de placas de circuito, no en el diseño de circuitos. Tomé una decisión consciente de pasar del diseño de circuitos al diseño de placas de circuito. Muchos diseñadores, cuando escucharon eso, pensaron que estaba un poco loco.

^{Rick Hartley}

Warner: ¡Apuesto a que lo hicieron! Parece un movimiento de carrera contraintuitivo.

Hartley: Sí, dijeron: "Qué masoquista, ¿quién es este tipo?" Pero realmente disfruto del diseño de la placa de circuito más que del diseño del circuito. Fue una decisión consciente. Afortunadamente, fue un movimiento lateral, me mantuvieron en la misma escala salarial. Cuando me fui y me mudé a otras compañías, tuve la suerte de que pudieran seguir pagándome a nivel de EE. Para mí, funcionó muy bien.

Warner: ¿En qué tipo de productos has trabajado a lo largo de los años?

Hartley: Productos en los que he trabajado a lo largo de los años ... La mayor parte de mi experiencia inicial fue en controles industriales para plantas de fábrica que usan sistemas de retroalimentación de circuito cerrado para controlar lo que entró en un producto. Por ejemplo, medíamos los plásticos a medida que se fabricaban. Controlaríamos cuánta resina y cuánto aire entraba a la mezcla para asegurarnos de que se distribuyera correctamente, que tuviera el grosor adecuado y la mezcla correcta de todos los materiales. Entonces, nuestro sistema básicamente medía el plástico mientras se fabricaba y controló su flujo. Lo hicimos con papel, con todo tipo de productos. Probablemente los primeros 17 años de mi carrera fueron en esa industria. A partir de ahí, pasé al diseño de computadoras porque para entonces eran los años ochenta.

Warner: Recuerdo bien ese momento, fue una explosión de la electrónica para computadoras personales y periféricos.

Hartley: Primero trabajé para una empresa que fabricaba computadoras resistentes que se podían colocar en todo tipo de entornos. Teníamos una computadora que podías dejar en la parte superior de un edificio de tres pisos y todavía funcionaría.

Warner: ¿Cuáles fueron las aplicaciones? ¿Las obras de construcción y eso?

Hartley: Todo tipo de sitios donde las cosas rebotaban mucho y querían que pudieran trabajar incluso bajo un fuerte estrés. Entonces, pisos de fábricas, aplicaciones de campo militar, ese tipo de cosas. Desde allí me mudé a la aviónica a principios de los noventa, donde pasé varios años. A finales de los noventa, me mudé al mundo de las telecomunicaciones, pasé cinco años allí y luego, en 2002, el mundo de las telecomunicaciones, como saben, simplemente se derrumbó.

Warner: Ciertamente lo hizo.

Hartley: Luego volví a la aviónica en 2003 y pasé el resto de mi carrera laboral, hasta 2014, en el mundo de la aviónica. Por lo tanto, la mayoría de los productos en los que he trabajado han sido controles industriales, computadoras, aviónica y equipos de telecomunicaciones. Ahora estoy semiretirado, enseñando y haciendo algunas consultas.

^{Hartley enseña regularmente en conferencias en los Estados Unidos.}

Warner: Y el último lugar donde trabajaste a tiempo completo fue en L-3 Communications, ¿verdad?

Hartley: Eso es correcto. Se llamaba L-3 Avionics Systems. Diseñamos y fabricamos aviónica para aviones comerciales y militares. Todavía están prosperando hoy, esa es una gran compañía, les está yendo realmente bien.

Warner: Siempre es bueno escucharlo en estos días. La última vez que te vi en IPC APEX en febrero, estaba sentado en una de tus clases y les pediste a las personas en la sala que levantaran la mano si eran un EE que también diseñó placas. Luego les preguntaste cuál era más desafiante, el trabajo de EE o el diseño de placas de circuito. ¿Por qué hiciste esa pregunta y por qué crees que a la mayoría de nosotros nos sorprendió que dijeran que el diseño de PCB era más desafiante?

Hartley: La primera vez que hice esa pregunta fue en 2008, en PCB West. Conocí a dos personas en mi clase que habían estado haciendo diseño de circuitos y diseño de PCB por alrededor de 20 años. Les pregunté: "En su opinión, ¿cuál es el más desafiante?" Este tipo literalmente se burló y dijo: "Oh, el diseño del circuito impreso es mucho más difícil que el diseño del circuito". Todos los EE en la sala se volvieron y lo miraron con mucha incredulidad. -¡No te imaginas las miradas que recibió!

Warner: ¡Oh, eso es gracioso! ¿Qué crees que estaba pasando por sus mentes?

Hartley: Estaban molestos, básicamente estos dos tipos estaban haciendo agujeros en su paradigma. La razón fue porque hubo un momento en que el diseño de las placas de circuito realmente conectaba los puntos y era más arte que ciencia. No era un desafío técnico en aquellos días. Algunos ingenieros creen que sigue siendo así, pero en los últimos 25 a 30 años, el diseño de las placas de circuito impreso se ha convertido en una verdadera tarea de ingeniería. Siempre hemos tenido que resolver el laberinto de la colocación y el enrutamiento, manteniendo la capacidad de fabricación. Hoy en día, debes hacer todo eso y comprender la integridad de la señal y la teoría de campo, así como comprender algo sobre cómo funcionan los circuitos. Como me escuchaste decir en esa clase de distribución de energía, en IPC APEX este año, la energía está en los campos. Una vez que comprendes eso, comienzas a comprender realmente dónde se mueve la energía en un circuito. Eso hace toda la diferencia en el mundo en cuanto a cómo debes diseñar. Las personas que obtienen la verdadera naturaleza de ambos puestos profesionales entienden que el diseño de las placas de circuito es realmente el más difícil de los dos trabajos. Es por eso que hago la pregunta y por eso creo que la mayoría de ustedes estaban sorprendidos, porque no esperaban escuchar la respuesta que dieron. Ellos, al igual que los dos muchachos en 2008, dijeron: "Oh, sí, el diseño de las placas es más difícil".

Warner: Y estaban hablando claramente desde un lugar de conocimiento experimental porque habían estado en eso durante mucho tiempo, como tú. Creo que la mayoría de nosotros podría pensar, si ponemos a los profesionales del diseño en una jerarquía, basada en la dificultad, los EE serían más altos en el orden jerárquico.

Hartley: Exactamente. El trabajo de EE requiere un nivel más profundo de educación técnica que el diseño de la placa, pero una vez que se adquiere ese conocimiento, los desafíos diarios son mayores en el campo del diseño de PCB. De vez en cuando me encuentro con personas de doble funcionamiento que piensan que el trabajo de EE es más difícil, pero son la excepción.

Warner: En tu punto de vista, el diseño de PCB se ha vuelto mucho más complejo. Especialmente cuando entras en RF, microondas, ondas milimétricas y digital de alta velocidad, parece ser increíblemente complejo.

Hartley: Bueno, la realidad es que los diseñadores de placas de circuito de hoy necesitan tener un poco de teoría de circuitos en su haber. Deben poder ver un esquema y saber qué está sucediendo. No necesitan conocer los detalles íntimos del circuito, pero sí deben comprenderlo lo suficientemente bien como para saber qué están haciendo el procesador y el FPGA, cómo juega la memoria en el circuito, cómo se manejan y acceden las cosas. Estos son todos los elementos que necesitan comprender al menos lo suficientemente bien como para saber cómo se deben colocar los componentes uno con respecto al otro para que las líneas de transmisión enrutadas se comporten como se espera. Y necesitan comprender la teoría de campo y los problemas de integridad de la señal, como el control de impedancia y la terminación adecuada. Necesitan saber cómo configurar el bus de alimentación. ¿Dónde colocas las tapas de desacoplamiento, debajo del BGA o al lado del BGA? La respuesta a esa pregunta depende completamente de dónde están los aviones en la placa. Muchos ingenieros no lo saben, la mayoría de los diseñadores de circuitos impresos sí. Hay mucha ingeniería involucrada en el diseño de circuitos impresos en estos días.

Warner: Me di cuenta, desde que regresé a la industria alrededor de 2009, que a muchos ingenieros muy brillantes se les pide que diseñen sus propias placas. Cuando tomé un descanso de la industria en 1998, esos dos roles eran distintos la mayor parte del tiempo. Los EE simplemente no saben lo que no saben con respecto al diseño, particularmente cuando se trata de placas de alto rendimiento, y lamentablemente esto causa muchos problemas inesperados.

Hartley: Sí, pero ¿sabes lo que va a pasar? Cometerán los errores que la mayoría de las personas cometen cuando se mudan por primera vez a este campo, como hacer que las trazas sean demasiado pequeñas para ser fabricables, solo para facilitar el enrutamiento. No van a diseñar para el proceso de ensamblaje o de fabricación ni harán placas para ser testeadas. No equilibrarán el cobre en y sobre la placa. Utilizarán los dieléctricos incorrectos en la placa o colocarán capas planas y trazadas de una manera que no cree apilamientos equilibrados o una buena contención de campos. Harán todas las cosas que los nuevos ingenieros quieren hacer clásicamente que los diseñadores experimentados de placas saben instintivamente que no deben hacer. Conozco ingenieros que quieren poner un número impar de capas en la placa. Todo diseñador experimentado sabe mejor y sabe por qué.

Warner: Es lamentable que siga sucediendo una y otra vez, una persona a la vez. ¡Tengo mucha compasión por ellos!

Hartley: ¿No sería bueno si hubiera un curso de capacitación esencial en algún lugar para poder enseñar a las personas que desean hacer el diseño del circuito impreso correctamente, cómo hacerlo?

Warner: Crees que ya deberían integrarlo como parte del curso de EE.

Hartley: Creo que sí. Otro tema triste, muchos EE no se dan cuenta del valor de PCB West.

Warner: Oh, sí, los cursos que ustedes imparten son como el oro, sin mencionar el nivel de experiencia. Estás allí, con el Dr. Eric Bogatin, Gary Ferrari, Susy Webb y muchos otros. Todos los veteranos que han sufrido todos los errores y se han convertido en expertos ansiosos por enseñar a otros cómo tomar los atajos y no cometer los mismos errores.

Hartley: ¡El valor de las clases que la gente enseña en PCB West es enorme! Están las personas que mencionaste y otras como Dan Beeker, Mark Finstad, Phil Zarrow, Keven Coates, Doug Brooks, Mike Creeden y Doug Smith, solo por nombrar algunos. Hay instructores de fábricas y ensambladoras, proveedores de materiales, compañías de CAD y muchos otros expertos de la industria.

Warner: Lo que me lleva a mi siguiente pregunta: te has convertido en un gurú de la integridad de la señal y de alta velocidad. ¿Cómo ocurrió eso?

Hartley: Bueno, comenzó a finales de los setenta cuando estaba haciendo el diseño de la placa RF. Como yo también era EE, el ingeniero de RF con el que trabajaba confiaba mucho en lo que yo hacía porque sabía que entendía sus objetivos y lo que necesitaba. Entonces, trabajamos bien juntos. A través de él comencé a comprender el concepto de una guía de ondas. El hecho es que mucha gente piensa que solo los circuitos de RF tienen guías de onda, porque eso es a lo que los ingenieros les refieren en ese dominio. La verdad es que cualquier línea de transmisión que opera por encima de las bajas frecuencias es una guía de ondas. Una línea de señal y su camino de retorno, dirigen los campos a través del dieléctrico ... eso es una guía de ondas. Sí, los circuitos de RF son guías de onda, pero también lo son la mayoría de los circuitos. Entonces, comenzó en los años setenta con este ingeniero de RF. Durante un tiempo, volví al diseño digital, a mediados de los ochenta. Pero fue a finales de los años ochenta que los tiempos de subida de CI se hicieron lo suficientemente rápidos como para que estuviéramos teniendo problemas de ruido y EMI en nuestros circuitos. Francamente, ninguno de nosotros entendía por qué. Todos nos rascábamos la cabeza pensando: "¿Por qué sucede esto?". Lo que no sabíamos es que no estaba relacionado con la frecuencia de reloj del circuito, estaba relacionado con los tiempos de subida. Durante un período de unos pocos años, desde finales de los años ochenta hasta principios de los noventa, descubrí esto mirando los circuitos en el laboratorio, midiendo los campos que emanaban de ellos usando sondas de campo cercano y un analizador de espectro y observando los tiempos de aumento de la señal. me di cuenta de que hay una relación directa entre el tiempo de aumento de la señal y los campos que provienen de estos circuitos. Una vez que me di cuenta de todo eso, comenzó a encajar. Luego fui a PCB West por primera vez en 1993 y me senté en la clase de Lee Ritchey. Me di cuenta, escuchando lo que el hombre estaba enseñando, este chico tiene mucho conocimiento. Aprendí mucho de él sobre lo que nunca había pensado antes, pero todo tenía sentido. Las piezas encajan con todo lo que había aprendido hasta  ese punto en mi vida. Entonces, me puse a tratar de poner todas estas piezas juntas y durante un período de dos o tres años, todo se convirtió en un plan de cómo controlar la integridad de la señal en los circuitos y cómo controlar y contener los campos para que no tengamos problemas de ruido e interferencia. Todo eso se logró mediante una combinación de experiencia y capacitación. Fue entonces cuando también comencé a comprar libros. Desde 1990 hasta ahora, he comprado más de 100 libros diferentes.

No puedes nombrar a un autor que haya escrito sobre integridad de señal, diseño de alta velocidad, EMI o control de ruido, cuyos libros no poseo. Henry Ott, Dr. Howard Johnson, Dr. Eric Bogatin, Dr. Bruce Archambeault. Todos estos tipos: soy dueño de todos sus libros y de todas las demás personas como ellos. Kimmel y Gerke, Terrell y Keenan, Ralph Morrison, todos los libros que se te ocurran. Era una combinación de lo que ya sabía junto con la lectura, y luego unir dos y dos.

Durante aproximadamente un período de diez años desde '85 hasta '95, me mudé a una posición de comprensión más profunda de estos temas. 1996 fue cuando comencé a enseñar, ya que pensé: "Sabes, sé lo suficiente sobre esto, probablemente también pueda transmitir algunos de mis consejos y conocimientos a otros". Y ese era mi objetivo, ayudar a los demás.

Warner: Eso es genial y sé que muchas personas se han beneficiado de tu disposición a enseñar. Además, también eres un maestro natural.

Hartley: Gracias, es amable de tu parte decir eso.

Warner: Bueno, realmente lo eres. La gente disfruta aprendiendo de ti porque enseñas de una manera tan clara que incluso alguien como yo, sin una educación técnica formal, puede entender.

Hartley: Esa es la idea. Muchas personas que asisten a estas clases son diseñadores de circuitos impresos que no tienen experiencia en ingeniería. Sin embargo, entienden que el diseño de la placa de circuito se ha convertido en una disciplina de ingeniería. Necesitan entender estas cosas y mi objetivo es transmitirlas de una manera que no sea confusa.

Warner: La primera vez que nos conocimos, Rick, estuvimos hablando de cómo ambos deseábamos que más diseñadores visitaran a sus proveedores de placas y aprendieran más sobre cómo se fabrican las placas. ¿Estarías dispuesto a discutirlo más y compartir algunos consejos para los ingenieros y diseñadores de PCB de hoy en nuestro próximo boletín?

Hartley: estaría feliz de hacer eso.

Warner: Genial, muchas gracias, Rick. Espero continuar esta conversación y transmitir algo de tu sabiduría ganada con tanto esfuerzo.

Hartley: Estoy ansioso y gracias, Judy.