IoT: ¿Cuál es su impacto en el diseño y la fabricación de PCB?

El término IoT, o Internet of Things (Internet de las Cosas), se refiere a una infraestructura que comprende diversos dispositivos electrónicos conectados a Internet. Los dispositivos inteligentes, controlables remotamente mediante apps específicas, representan solo una pequeña parte de la red IoT. La posibilidad de conectar entre sí sensores inteligentes y dispositivos electrónicos tradicionales ha tenido un impacto significativo en varios campos de aplicación, tales como la industria, la agricultura, la biomedicina, el transporte y la electrónica de consumo. El principal requisito que todo dispositivo IoT debe cumplir es definitivamente la conectividad, que se consigue mediante tecnologías inalámbricas como Bluetooth, Wi-Fi y red móvil. Como resultado, el desarrollo de hardware capaz de dar soporte a la funcionalidad IoT pasa por un cambio sutil pero específico: la conectividad, el control remoto y la alta eficiencia energética son requisitos que todo dispositivo IoT debe cumplir.

Diseño del PCB

El diseño de un dispositivo IoT requiere una evaluación adecuada y la elección correcta de tres factores clave: sensores, conectividad inalámbrica y gestión energética. La placa de circuito impreso, que debe ser capaz de soportar la funcionalidad ofrecida por estos componentes, requiere un enfoque del diseño distinto al de las convencionales. Los aspectos principales que afectan al diseño de un PCB IoT son los siguientes:

• tamaño: igual que ocurre con los dispositivos inteligentes portátiles, los dispositivos IoT son de tamaño muy pequeño y, por tanto, requieren componentes miniaturizados. Los sensores más modernos, fabricados principalmente con tecnología MEMS, ofrecen una huella pequeña, bajos costes y gran fiabilidad. En la Figura 1 podemos ver el PCB montada de un termostato inteligente moderno: debe observarse la gran integración de los componentes y la correcta separación entre áreas digitales (MCU y procesador de datos) y analógicas (interfaz de Wi-Fi y terminal de RF)
• diseño: el limitado espacio disponible para el enrutamiento de las trazas generalmente requiere la elección de PCBs multicapas, con limitaciones muy estrictas respecto a la compatibilidad electromagnética (EMC). Asimismo, la alta densidad de los componentes del PCB requiere un enfoque de diseño HDI (Interconexión de Alta Densidad), lo que da lugar a una reducción del tamaño de las pastillas y un incremento en el número de vías;
• la integridad de la señal procedente de los sensores debe garantizarse en todas las condiciones operativas, eliminando cualquier posible acoplamiento o interferencia con líneas eléctricas y con las señales de la interfaz inalámbrica;
• materiales: la rápida difusión de la Tecnología IoT ha favorecido el uso de materiales innovadores tales como los PCB flexibles. El diseño de un PCB flexible requiere una cuidadosa consideración respecto a la estructura mecánica de los materiales y afecta al posicionamiento de los componentes. Los PCB flexibles son ideales para portátiles, ya que pueden añadirse más componentes en un espacio más reducido. En comparación con la solución tradicional rígida, los PCB flexibles simplifican el cableado y ofrecen resistencia adicional en presencia de tensiones mecánicas nada desdeñables;
• gestión energética: este aspecto es esencial para prolongar la vida de las baterías de los dispositivos IoT. Además de la correcta selección de circuitos integrados de gestión energética (PMIC), el diseñador debe asegurarse de que todos los bloques funcionales del circuito entren dentro del presupuesto energético asignado. Es esencial que el consumo energético se calcule en todo tipo de condiciones operativas del dispositivo, teniendo en cuenta que los transceptores inalámbricos pueden tener picos de absorción considerables durante la transición entre apagado y encendido. El consumo energético en modo de espera reforzada o “deep sleep” es también muy importante, ya que este parámetro determina la vida de la batería;
• seguridad: un sistema que accede a una red compartida está, debido a su naturaleza, sujeto a posibles ataques que pueden comprometer su seguridad. Este aspecto juega un papel fundamental en los dispositivos IoT para la detección y medición de cantidades métricas (medidores de agua, gas y electricidad) y en los dispositivos electromédicos, en los que se procesan datos sensibles. Existe la creencia generalizada de que la actualización de la seguridad mediante software ya no será suficiente y, por lo tanto, es necesario implementar mecanismos de seguridad a nivel de hardware. Los motores criptográficos, ahora disponibles en muchos microcontroladores de bajo coste, ofrecen protección adicional de la información gracias a la rápida implementación de algoritmos de encriptado tales como AES, DES y SHA;
• gestión térmica: los dispositivos IoT son de pequeño tamaño, están alimentados por baterías y normalmente se colocan en una carcasa no ranurada, lo que presenta requisitos exigentes en cuanto a gestión térmica. El PCB debe diseñarse de tal modo que se evite la formación de puntos calientes (áreas que superan una temperatura de alrededor de 150 °C) seleccionando adecuadamente la geometría de las trazas (anchura y altura), utilizando vías térmicas con recubrimiento de cobre e insertando planos de cobre para una mejor disipación del calor. Siendo el área disponible para la toma de tierra en estos dispositivos generalmente muy limitada, debe prestarse atención a la hora de proporcionar una toma de tierra suficiente para la disipación térmica y la conectividad RF. En algunos casos, puede ser conveniente realizar una simulación del flujo de aire térmico, utilizando modelos en 2D/3D implementados con herramientas ECAD y MCAD.

Figura 1: El PCB de un termostato inteligente (fuente: Google).

La conectividad inalámbrica, común a todos los dispositivos IoT, implica la obtención de las certificaciones necesarias relativas a la parte RF. Las certificaciones más habituales son FCC (en los Estados Unidos), IC (en Canadá) y CE (en Europa). Asimismo, los diseñadores deben considerar estándares relacionados a radiación emitida de forma intencionada o no intencionada y los requisitos de certificaciones adicionales tales como PTCRB y WEEE. La obtención de la certificación se facilita mediante el uso de módulos RF precertificados, que pueden integrarse directamente al dispositivo, evitando costosos procesos de certificación.

La gran demanda de soluciones IoT ha llevado a una aceleración del desarrollo de herramientas de diseño para PCBs con señales AMS (Señales Analógicas/Mixtas), en base a modelos específicos, simulaciones y análisis de circuitos. La simulación es la fase en la que se valida la integridad de las conexiones. Herramientas de software adecuadas simulan el esquema del circuito, considerando diferentes parámetros como: punto de servicio, dominio temporal, dominio de frecuencia, análisis de Monte Carlo, sensibilidad y el peor de los escenarios. Para los dispositivos portátiles, deben cumplirse unos requisitos especiales, como el tamaño, el consumo energético y el tiempo de carga.

Fabricación del PCB

Uno de los secretos para crear un PCB de éxito es siempre considerar, desde el principio, las fases de montaje y fabricación. Un ejemplo lo encontramos en el mercado de portátiles: el espacio muy pequeño disponible para el montaje ha puesto de relieve la necesidad de PCBs flexibles que puedan flexionarse y doblarse sin romper o comprometer la funcionalidad del dispositivo. También, los dispositivos y equipos industriales para el montaje y manipulación de materiales deben soportar choques, vibraciones y otras condiciones operativas extremas. Además de los PCB flexibles, otra solución técnica que puede simplificar la fabricación de un PCB del IoT es la adopción de la tecnología System-in-Package (SiP). System-in-Packages permite integrar sistemas analógicos, digitales y RF cada vez más complejos en un único chip, con factores formales muy similares a los de las soluciones tradicionales de chip único. La Figura 2 muestra una solución SiP extremadamente compacta para la implementación de un nodo Sigfox con funcionalidades de enlace ascendente y descendente. Los componentes SiP simplifican mucho el diseño y la fabricación del PCB, reportando asimismo ventajas en términos de costes. El módulo SiP de la Figura 2 está certificado, tiene una antena integrada y no requiere componentes externos.

Figura 2: Módulo SiP (fuente: ON Semiconductor).

Los dispositivos IoT deben ser capaces de mantener una conectividad constante con la red y con otros nodos pertenecientes a esta. En aplicaciones industriales (IoT e Industria 4.0), la operación 24/7 es muy habitual y, por lo tanto, es increíblemente importante el 100% de disponibilidad. El mantenimiento de niveles de energía adecuados y constantes a nivel del PCB es crítico para mantener la capacidad operativa y la conectividad. Esto es también esencial para prolongar la vida de la batería en dispositivos portátiles y para garantizar la eficiencia en las instalaciones. En cada etapa del desarrollo de un dispositivo IoT, comenzando por el diseño del PCB, es necesario verificar la fabricabilidad del producto. Una herramienta como el DFT (Design for Test) es, por ejemplo, útil para verificar la comprobabilidad del PCB y para identificar cualquier defecto de fabricación de antemano. De la misma forma, el análisis DFMA (Design for Manufacturing and Assembly – Diseño para Fabricación y Ensamblaje) permite la identificación de problemas en el diseño del PCB que pueden corregirse antes de pasar a la producción.

Para muchas clases de dispositivos IoT, la seguridad implica también la adopción de medidas para evitar la falsificación de PCBs, un aspecto importante especialmente en aplicaciones de metrología. Con la creciente demanda de soluciones para apoyar las aplicaciones IoT, los fabricantes de PCBs están cambiando su forma de diseñar y validar sus placas de circuito impreso. Un método muy habitual consiste en añadir identificadores codificados (IDs) en cada capa física del PCB. Cada ID se vincula criptográficamente al de las demás capas, lo que significa que es casi imposible replicarlo con éxito. Esta técnica es mucho más sofisticada y segura que la estándar, basada en imprimir un simple ID de código de barras en la cara superior del PCB.