Demoliendo mitos en 5 - #2: sobre PCB & otras yerbas - "El que aprende pero no piensa, esta perdido. El que piensa pero no aprende esta en gran peligro." Confucio

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Juan Manuel Cruz Beaufrere

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Dec 5, 2017, 7:06:49 AM12/5/17
to embebidos32@

Quienes han diseñado PCBs seguramente alguna han utilizar vías pasantes (Through Hole) para conectar diferentes capas (layers).

Como en el #1 (transporte de corriente continua en una traza de cobre pintada a mano con soldadura) volvemos a atender un "caso de uso" a fin de acotar las posibilidades (lo que se dice fijar el contexto) y no dispersarnos demasiado.


CONTEXTO:    Vías pasantes (Through Hole) en un PCB doble faz (NO estamos abordando lo que sucede con vías ciegas ni enterradas, ¿OK?)


IMPORTATE:    Compartimos experiencia y/o pensamientos con el objetivo de aprender => FAVOR DE NO GOOGLEAR TIPS POR AHORA


Cuando comenzamos a usarlas averiguando un poco nos encontraremos con buena cantidad de tips de como y porqué hacerlo.

Con las 5 anteriores aprendimos que "para demoler un mito de ser posible hay que atacarlo por las raíces", entonces vamos a obviar los mitos y ver que opina la muchachada sobre las raíces del tema en cuestión.

    1. ¿Alguna vez has diseñado PCBs con vías pasantes (TH) en un PCB doble faz?

    2. De haberlo hecho ¿qué buscabas obtener con su uso?

    3. De haberlo hecho ¿en base a qué criterio/s las dimensionaste?

    4. De haberlo hecho ¿lograste tu cometido, lo verificaste y cómo?

    5. De haberlo hecho ¿aprendiste dónde no conviene colocarlas y porqué?

Quienes alguna vez me escucharon hablar del tema favor de abstenerse, la idea es expandir conocimiento, saludos.

--

Ing. Juan Manuel Cruz
Profesor Adjunto - Seminario de Sistemas Embebidos

Laboratorio de Sistemas Embebidos | Facultad de Ingeniería - UBA
Paseo Colón 950
[C1063ACV] Buenos Aires. Argentina
Tel [54 11] 4343 0893 / 0092 | Int
E-mail:
juanmanuelc...@gmail.com
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http://laboratorios.fi.uba.ar/lse/

Marcos Chaparro

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Dec 5, 2017, 9:21:45 AM12/5/17
to embeb...@googlegroups.com

    1. ¿Alguna vez has diseñado PCBs con vías pasantes (TH) en un PCB doble faz?

 Si. Yo extendería el contexto a multilayer boards que obtienen un mayor beneficio en el uso de vias, y para que no nos quedemos en dos capas.

    2. De haberlo hecho ¿qué buscabas obtener con su uso?

En orden de histórico...
Para hacer layout mas rápido
Conectar bypasses de MCU con minima impedancia a un plano de masa
Bajar la impedancia térmica entre un componente smd y el ambiente, usando planos de cobre como disipador.
Transportar corriente (muchas en paralelo)
Mejor EMC (via stitching)
Impedancia controlada en RF

    3. De haberlo hecho ¿en base a qué criterio/s las dimensionaste?

Al principio 0.3mm de diámetro porque mi fabricante podía. Luego 0.4mm porque otros fabricantes no podían. Generalmente uso el mismo diametro para toda la placa, y varío la cantidad en paralelo para simplificar el tooling.
Si alguna vez hice el cálculo de capacidad de corriente por vía, me he olvidado. Últimamente doy por sentado que no se van a romper por corriente pero pongo vias extras para bajar la inductancia y asi elevar la frecuencia de resonancia del conjunto (en caps de bypass por ejemplo).
También tiene que ver con redundancia/tolerancia a fallas (qué pasa si una via se corta?)
Mis placas últimamente son asi (buscar los caps de bypass)
En RF copio el espaciado del via stitching del kit de desarrollo del transceiver. Con lora hemos medido con regla dónde pusieron cada via para no perder ni medio dB con respecto a lo que el kit promete.
 

    4. De haberlo hecho ¿lograste tu cometido, lo verificaste y cómo?


Eléctricamente nunca tuve problemas hasta donde yo se. Quizas desadapté algun frontend de RF pero no tengo instrumentos como para saber con seguridad si es por eso.
Hasta ahora tengo el invicto en EMC, supongo que es una forma de verificación.
Generalmente el arrepentimiento me viene por el lado de impedancia térmica, el dispositivo calienta y se que calentaría un poquito menos si hubiera agregado mas vias para disipar con un plano. A diferencia de sutiles cosas eléctricas, el calor es muy fácil de ver con la cámara térmica.

    5. De haberlo hecho ¿aprendiste dónde no conviene colocarlas y porqué?

En mi experiencia, mientras mas vias mejor, son *gratis*. Mas alla de eso hay casos particulares en los que no hay que colocar vias, al menos no las vias comunes. Es parte de tutoriales y guidelines de fabricantes.
Via dentro de un pad smd: el estaño de un componente smd se escurre por la via y te puede quedar mal soldado, y en BGA genera otros problemas. Si realmente necesitas poner una via en un pad, tendrías que pedir tapped and filled vias, pero eso es mas avanzado (léase $$$).
Ya que estoy, las vias deben estar cubiertas de máscara. Sólo puedo aceptar untented vias en un prototipo para medir cosas mas fácil, pero en producción una via descubierta solo da problemas, vi perderse FPGAs por cortos a GND con una via descubierta que pasaba DRC.
Una vez me dijeron que no use testpoints en un circuito de potencia porque irradiaba RF

No se me ocurre otro escenario donde no haya que usar vias. Ah, si, hay que tener cuidado de no romper/interrumpir planos por poner muchas vias, y si lo interrumpís tenés que evaluar sus consecuencias (crear un lazo de corriente que irradia y tiene inductancia).
En este caso no hay ninguna consecuencia por ejemplo porque las corrientes principales no deben rodear ningún grupo de vias. 
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Algo para leer a la noche, Fig 5.C nos compete hoy.

Saludos

--
Marcos


martin ribelotta

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Dec 5, 2017, 9:57:06 AM12/5/17
to embebidos32@
Otro caso de no-uso o de uso cuidadoso de los PTH es cuando ruteamos multilayer en layers internos y los PTH nos generan stubs tontos. Es cierto que eso "en la mayoría de los casos" el efecto es despreciable, pero cuando tenes señales de varios Gz (que digitalmente necesitan hasta la 3ra o 4ta armonica) en PCBs multilayer de 8 o mas capas (no se me ocurriria hacer esto en menos) realmente te puede desadaptar la linea diferencial que tanto cuidabas.
En ese caso, buried y blinded vias... otra no se me ocurre., porque no domino el arte de desadaptar controladamente :-(
 
No se me ocurre otro escenario donde no haya que usar vias. Ah, si, hay que tener cuidado de no romper/interrumpir planos por poner muchas vias, y si lo interrumpís tenés que evaluar sus consecuencias (crear un lazo de corriente que irradia y tiene inductancia).
En este caso no hay ninguna consecuencia por ejemplo porque las corrientes principales no deben rodear ningún grupo de vias. 
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Algo para leer a la noche, Fig 5.C nos compete hoy.

Saludos

--
Marcos


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C. Javier Balian

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Dec 5, 2017, 10:05:21 AM12/5/17
to embeb...@googlegroups.com

Aquí van mis respuestas:

1. ¿Alguna vez has diseñado PCBs con vías pasantes (TH) en un PCB doble faz?

Si lo he hecho varias veces

    2. De haberlo hecho ¿qué buscabas obtener con su uso?

Buscaba facilitar el ruteo acortando el largo de pistas y haciendo un ruteo mas despejado y prolijo.
Algunas veces las usé para transportar corriente de un lado al otro de la placa poniendo varias en paralelo.
Otras veces como test points

    3. De haberlo hecho ¿en base a qué criterio/s las dimensionaste?
Generalmente si son para señal uso el diámetro siguiente al que tolera el fabricante.
Generalmente le pongo un pad holgado para que sea mas robusta.
Si es para transporte de corriente imagino la via como un cilindro desplegado entonces calculo su diámetro de manera que la circunferencia sea igual al ancho de la pista que transporta la corriente. Si me queda muy grande comienzo a poner varias en paralelo.

    4. De haberlo hecho ¿lograste tu cometido, lo verificaste y cómo?

Si el cometido era facilitar el ruteo, lo logré
Si el cometido era transportar corriente, en algunos casos lo logré y en otros tuve que agregar un cable mallado, pero por lo general no fué culpa de la via sinó del diseño de la topología de masas.

    5. De haberlo hecho ¿aprendiste dónde no conviene colocarlas y porqué?

La verdad es que no sé dónde no conviene colocarlas. Quizas las evito de forma intuitiva pero no sé por qué o no me puse a pensarlo.


Saludos y vamos por mas

Javier


El 05/12/2017 a las 09:04 a.m., Juan Manuel Cruz Beaufrere escribió:

Quienes han diseñado PCBs seguramente alguna han utilizar vías pasantes (Through Hole) para conectar diferentes capas (layers).

Como en el #1 (transporte de corriente continua en una traza de cobre pintada a mano con soldadura) volvemos a atender un "caso de uso" a fin de acotar las posibilidades (lo que se dice fijar el contexto) y no dispersarnos demasiado.


CONTEXTO:    Vías pasantes (Through Hole) en un PCB doble faz (NO estamos abordando lo que sucede con vías ciegas ni enterradas, ¿OK?)


IMPORTATE:    Compartimos experiencia y/o pensamientos con el objetivo de aprender => FAVOR DE NO GOOGLEAR TIPS POR AHORA


Cuando comenzamos a usarlas averiguando un poco nos encontraremos con buena cantidad de tips de como y porqué hacerlo.

Con las 5 anteriores aprendimos que "para demoler un mito de ser posible hay que atacarlo por las raíces", entonces vamos a obviar los mitos y ver que opina la muchachada sobre las raíces del tema en cuestión.

    1. ¿Alguna vez has diseñado PCBs con vías pasantes (TH) en un PCB doble faz?

    2. De haberlo hecho ¿qué buscabas obtener con su uso?

    3. De haberlo hecho ¿en base a qué criterio/s las dimensionaste?

    4. De haberlo hecho ¿lograste tu cometido, lo verificaste y cómo?

    5. De haberlo hecho ¿aprendiste dónde no conviene colocarlas y porqué?

Quienes alguna vez me escucharon hablar del tema favor de abstenerse, la idea es expandir conocimiento, saludos.

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Ing. Juan Manuel Cruz
Profesor Adjunto - Seminario de Sistemas Embebidos

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Diego García

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Dec 5, 2017, 11:17:24 AM12/5/17
to embeb...@googlegroups.com
buenas! contesto abajo


El mar., 5 de dic. de 2017 a la(s) 9:06, Juan Manuel Cruz Beaufrere

Quienes han diseñado PCBs seguramente alguna han utilizar vías pasantes (Through Hole) para conectar diferentes capas (layers).

Como en el #1 (transporte de corriente continua en una traza de cobre pintada a mano con soldadura) volvemos a atender un "caso de uso" a fin de acotar las posibilidades (lo que se dice fijar el contexto) y no dispersarnos demasiado.


CONTEXTO:    Vías pasantes (Through Hole) en un PCB doble faz (NO estamos abordando lo que sucede con vías ciegas ni enterradas, ¿OK?)


IMPORTATE:    Compartimos experiencia y/o pensamientos con el objetivo de aprender => FAVOR DE NO GOOGLEAR TIPS POR AHORA


Cuando comenzamos a usarlas averiguando un poco nos encontraremos con buena cantidad de tips de como y porqué hacerlo.

Con las 5 anteriores aprendimos que "para demoler un mito de ser posible hay que atacarlo por las raíces", entonces vamos a obviar los mitos y ver que opina la muchachada sobre las raíces del tema en cuestión.

    1. ¿Alguna vez has diseñado PCBs con vías pasantes (TH) en un PCB doble faz?

Si 

    2. De haberlo hecho ¿qué buscabas obtener con su uso?

Cuestiones de complejidad de ruteo. Planos de masa. Transferencia de calor.

    3. De haberlo hecho ¿en base a qué criterio/s las dimensionaste?

Tablas

    4. De haberlo hecho ¿lograste tu cometido, lo verificaste y cómo?

Si. Midiendo resultados. Ensayos pasados

    5. De haberlo hecho ¿aprendiste dónde no conviene colocarlas y porqué?

En algunos casos preferí modificar su ubicación 

Quienes alguna vez me escucharon hablar del tema favor de abstenerse, la idea es expandir conocimiento, saludos.

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Ing. Juan Manuel Cruz
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Juan Manuel Cruz Beaufrere

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Dec 5, 2017, 11:54:53 AM12/5/17
to embeb...@googlegroups.com

Cuanto más simple sea el escenario más fácil es comprender cómo funcionan las cuestiones básicas (usualmente lo primero que hace un desarrollador es tratar de resolver el diseño en base a un PCB simple faz, si no puede trata nuevamente con uno doble faz y si no hay más remedio avanza a 4 capas).

Vamos al tema en cuestión:

  • Excelentes consideraciones Marcos, sólo te faltó en el ítem 2 Transportar calor (las necesarias en paralelo)

Es importante que quede en claro que gran parte de los TIPs que encontramos apuntan a acotar los factores que condiciona el cumplimento de las especificaciones de diseño.

Si bien algunas cosas se pueden chequear en forma rudimentaria es necesario contar con el instrumental adecuado para lograr medirlos bien:

  • Caídas de tensión, fugas de corriente, disrupción eléctrica, etc.
  • Impedancias parásitas, ruido de conmutación, elevación de temperatura, etc.
  • EMI/EMC, integridad de señal, temporización, etc.
  • Siendo lo mejor someter el equipo a ensayos de cumplimiento de normas

La magnitud y el efecto de muchos de éstos factores hoy se pueden acotar efectuando verificaciones durante el diseño:

  • En instancia de dibujo del esquema eléctrico mediante "sintetizadores/simuladores/emuladores/analizadores de circuitos"
  • En instancia de dibujo del PCB "simuladores/analizadores de circuitos"
  • En instancias de arracar el PCB diseñado
  • Evaluar resultados para ajustar el diseño
Por lo tanto es importante:
  • Dimensionar adecuadamente las vías
  • Aplicarlas cuando ayuden a reducir alguno de éstos factores
  • Omitir aplicarlas cuando los incrementan (el calculador Satrurn del hilo anterior puede ayudarnos en ésto => Via Properties)
  • No necesariamente la vía que recomienda usar el fabricante de PCB es la que debemos usar
    • Especialmente si al sobre-dimensionarla reduzco algunos de éstos factores:
      • Mantenemos coherencia entre grillas de "trazado & ubicación de vías"
      • No incrementamos significativamente el área de PCB
  • Además de la explicación que diste:
    • Mantener vías alejadas a no menos de 0,5 mm del área de contacto de un pad (IPC-7351)
    • De ser posible mantener vías a la vista (no a la sombra de componentes)
    • No conviene aplicar vías en pads SMD pues fuga calor y complica la soldadura en ése pad
    • Disponerlas en grilla
Respecto a la radiación depende del la frecuencia, en la tabla 2 del link: www.cemdal.com/2016/09/04/los-l%C3%ADmites-entre-el-campo-cercano-y-el-campo-lejano/ veras para distintas frecuencias las distancias asociadas para tener "onda electromagnética radiante" (campo lejano según dos criterios aceptados de compatibilidad electromagnética).

Además en el link que copiaste la figura "5D. Series resonances in decoupling capacitors" responde la consulta de Alejandro Sosa <alejand...@gmail.com> manifestada en el hilo anterior.

Ing. Mirko Serra

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Dec 5, 2017, 1:12:33 PM12/5/17
to embebidos32
1) Sí.
2) Que no se crucen pistas. En general, se evitan dando vueltas y de ser posible usaba la vía de un componente pasante más que una vía solo para eso.
3) El valor por defecto que sugería Altium parecía acorde; no teniendo una referencia de que sea un factor crítico lo dejé así.
4) Sí, la pista conducía y el PCB no estaba bajo circunstancias extenuantes de ningún tipo.
5) No. No lo había pensado hasta ahora.

Saludos.

Ing. Mirko Serra.


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Alejandro Martin Giraudo

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Dec 6, 2017, 12:48:31 PM12/6/17
to embeb...@googlegroups.com
Me encanta la propuesta de "Demoliendo mitos", escribo principalmente para alentar a que continue.

Respondiendo:
1. Si.
2. Principalmente coneccion con el plano de masa. Transferencia de calor también.
3. Los componentes críticos (RF) los fabricante suelen dar ejemplos y recomendaciones que respeto. En potencia, lo mas grande posible.  
4. Mido el desempeño del PCB, pero me resulta imposible aislar un efecto al diseño de las vias. 
5. Mis criterios son:  1. Las vias no se comparten, especialmente las de GND. 2 Es mejor dar una vueltita y mantener el plano de GND lo mas limpio posible.

Saludos,
Alejandro Giraudo.

Juan Manuel Cruz Beaufrere

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Dec 7, 2017, 7:13:53 AM12/7/17
to embeb...@googlegroups.com

Resultado
        de imagen para pulgar arriba png

Marcos Chaparro

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Dec 9, 2017, 6:30:24 PM12/9/17
to embeb...@googlegroups.com

El resumen de Juan es una buena referencia a la hora de usar vias. 

usualmente lo primero que hace un desarrollador es tratar de resolver el diseño en base a un PCB simple faz, si no puede trata nuevamente con uno doble faz y si no hay más remedio avanza a 4 capas).


Perdón lo [OT], y lo voy a poner chiquito para no desviar el hilo... eso puede suceder en Argentina o con quienes les gusta planchar sus pcbs o tienen un router, pero afuera un ingeniero en layout difícilmente sepa lo que es routear en 1 capa, y mucho menos va a intentar 3 veces hacer un layout. Para cobrar bien la hora uno tiene que demostrar que no pierde tiempo.
Yo por defecto arranco en 4 capas, y hay que remarla para convencerme de que la haga en 2 capas. Hablamos de 2usd de costo extra por placa y unos 80usd de tooling.
Si un layout relativamente modesto en 4 capas te lleva 100 horas hablamos de us$6000 (en un mercado internacional), me atrevo a decir que a 2 capas lleva el doble de tiempo. Osea que hay que amortizar us$6k de a 2usd por placa, si no hay un volumen de 3000 placas no justifico el esfuerzo. Honestamente solo una fracción de nuestros proyectos superan esas 3000 unidades.

Volviendo a las vias, sobre el caso particular de via/testpoint como fuente de rf, me lo dijeron en el contexto de electronica de potencia, no de comunicaciones. Había que cuidar una pista del gate de un transistor que está a 5cm de un switcheo a 18khz de 200KW. Se rieron de mi cuando propuse poner un micro en ese lugar.

Vi varios esfuerzos desde usuarios de kicad para hacer análisis por elemento finito, quizás un día de estos tengamos una herramienta libre para hacer análisis electromagnético y térmico completo del cobre del pcb. Yo llegue a hacer análisis térmico de componentes pero me falta incluir el cobre.

Sobre las grillas para via stitching, a mi me gusta que sea cada 2.5mm pero por ejemplo lora usa grilla de 1mm. En ultima instancia una via mal pensada hace mucho menos daño que un plano o stackup mal pensado.

Martin dio un caso que pesa mucho en placas digitales, la parte no usada de una via es un stub que no nos hace ningún favor, y cuidar la integridad de la señal significa cuidar sus armónicas.

Hay otro uso que se le puede dar a una via que puede ser crítico en ambientes con vibración/caídas (o mucho peor, ambientes con usuarios): A los pads de anclaje de un componente SMD (conector, inductor grande, etc) podés ponerle vias para anclar mejor la cara top del cobre al FR4.
Sin vias tirás un poco y te llevas el componente con cobre y todo. Con vías el componente requiere mucha mas fuerza para ser arrancado. Del lado de abajo la via debe estar bien tapada con mascara para no perder estaño. Si hay presupuesto se usarían tapped vias.

Un principio parecido se usa en los agujeros de montaje, los que diseñamos con con cuidado le ponemos vias.
There are two primary reasons for adding vias to the supported mounting hole. The first was to insure that if the screw threads stripped the copper plating from the main hole that the vias would still provide adequate ground connections. The second reason was for additional support to prevent the PCB from crushing when too much torque was used to tighten the nut. The average via hole size for mounting holes is 0.5 mm. See Figure 3 for a supported mounting hole with vias.


Saludos

Juan Manuel Cruz Beaufrere

unread,
Dec 11, 2017, 8:27:00 AM12/11/17
to embeb...@googlegroups.com

En el hilo anterior recomendé aplicar una regla:

  • Aplicar una de las cuatro reglas a mi entender esenciales de aplicar en un diseño de ingeniería: "documentarse debidamente" (te ayuda a escarbar en las bases de tu formación profesional)

En este hilo aprovecho tu comentario [OT] para sumar la recomendación de aplicar además otra regla:

  • Aplicar otra de las cuatro reglas a mi entender esenciales de aplicar en un diseño de ingeniería: "diseñar para la excelencia" (te ayuda a direccionar correctamente tus esfuerzos)

    • Diseñar para la excelencia  puede implicar hacerlo en procura de:

      • Manufacturabilidad/ensamblado, confiabilidad, testing/service, operatividad/uso, impacto ambiental/reciclado, calidad/costo, logística, cumplimiento de normas, etc., etc.

    • Diseñar para la excelencia no implica la implementación de todos y cada uno de los ítems listados pues cualquier actividad de diseño estará fuertemente condicionada por:

      • La idiosincrasia tanto del diseñador como del medio en que éste se desempeña

      • El contexto en que se lleva a cabo el diseño propiamente dicho

He podido constatarlo durante las últimas cuatro décadas por reparar/seleccionar/diseñar equipamiento electrónico variado (de primeras marcas internacionalmente reconocidas, norteamericanas/europeas/asiáticas/argentinas) de comunicaciones, de uso médico, de instrumentación & control industrial y de consumo.

Por lo que he tenido oportunidad de ver de todo en lo que a PCB se refiere. Y con mucho esfuerzo aprendí a poner mis esfuerzos en tratar de establecer qué excelencia procuraba el diseñador para poder juzgar adecuadamente su trabajo y lograr así aprender de sus aciertos & desaciertos (libre de prejuicios).

He podido constatar que cuando la excelencia procurada es "minimizar costos la reducción del número de layers de un PCB pesa" y doy fe que el diseñador se esfuerza en lograrlo aun a costa de tiempo de desarrollo, abrazo.


Ing. Juan Manuel Cruz
Profesor Adjunto - Seminario de Sistemas Embebidos

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