Circuitu impresu

N'electrónica, “placa de circuitu impresu” (del inglés: printed circuit board, PCB), ye la superficie constituyida per caminos, pistes o buses de material conductor laminadas sobre una base non conductora. El circuitu impresu utilizar pa coneutar llétricamente al traviés de les pistes conductores, y sostener mecánicamente, per mediu de la base, un conxuntu de componentes electrónicos. Les pistes son xeneralmente de cobre ente que la base fabrícase xeneralmente de resines de fibra de vidriu reforzada, Pertinax, pero tamién cerámica, plásticu, teflón o polímeros como la baquelita.

Tamién se fabriquen de celuloide con pistes de pintura conductora cuando se riquir que sían flexibles pa coneutar partes con movimientu ente sigo, evitando los problemes del cambéu d'estructura cristalina del cobre que fai argayadizos los conductores de cables y plaques

La producción de les PCB y el montaxe de los componentes puede ser automatizada.^[1] Esto dexa que n'ambientes de producción en masa, sían más económicos y fiables qu'otres alternatives de montaxe (p. y.: wire-wrap o entorcháu, yá pasáu de moda). N'otros contestos, como la construcción de prototipos basada n'ensamblaxe manual, la escasa capacidá de cambéu una vegada construyíos y l'esfuerzu qu'implica la soldadura de los componentes^[2] fai que les PCB nun sían una alternativa óptima. Igualmente, fabríquense plaques con islles y / barres conductores pa los prototipos, dalgunes según el formatu de les Protoboards.

La organización IPC (Institute for Printed Circuits), xeneró un conxuntu d'estándares que regulen el diseñu, ensamblado y control calidable de los circuitos impresos, siendo la familia IPC-2220 una de les de mayor reconocencia na industria. Otres organizaciones, tamién contribúin con estándares rellacionaos, como por casu: Institutu Nacional d'Estándares d'Estaos Xuníos (ANSI, American National Standards Institute), Comisión Electrotéunica Internacional (IEC, International Engineering Consortium), Alianza d'Industries Electróniques (EIA, Electronic Industries Alliance), y Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC).

Historia

Probablemente, l'inventor del circuitu impresu foi l'inxenieru austriacu Paul Eisler (1907-1995), que mientres trabayaba n'Inglaterra, foi quien fabricó un circuitu impresu como parte d'una radio, alredor de 1936.^{[ensin referencies]} Aproximao en 1943, nos Estaos Xuníos empezaron a usar esta teunoloxía a gran escala pa fabricar radios robustes, cola cuenta d'usales na Segunda Guerra Mundial. Dempués de la guerra, en 1948, EE.XX. lliberó la invención pal so usu comercial.^{[ensin referencies]} Los circuitos impresos nun se volvieron populares na electrónica de consumu hasta mediaos de 1950, cuando'l procesu de “autu-ensamblaxe” foi desenvueltu pola Armada de los Estaos Xuníos.^{[ensin referencies]}

Primero que los circuitos impresos (y por a la temporada de la so invención), la conexón “puntu a puntu” yera la más usada. Pa prototipos, o producción de pequeñes cantidaes, el métodu wire wrap puede considerase más eficiente.^{[ensin referencies]}

Orixinalmente, cada componente electrónicu tenía pines de cobre o latón de dellos milímetros de llargor, y el circuitu impresu tenía furos taladraos pa cada pin del componente. Los pines de los componentes travesaben los furos y yeren soldaos a les pistes del circuitu impresu. Esti métodu d'ensamblaxe ye llamáu furacu pasante o through-hole.^{[ensin referencies]} En 1949, Moe Abramson y Stanilus F. Danko, de la United States Army Signal Corps, desenvolvieron el procesu d'autu-ensamblaxe, onde les pines de los componentes yeren inxertaes nuna llámina de cobre col patrón de interconexón, y depués yeren soldaes.^{[ensin referencies]} Col desenvolvimientu de la laminación de tarxetes y téuniques de grabaos, esti conceutu evolucionó nel procesu estándar de fabricación de circuitos impresos usáu na actualidá. La soldadura puede faese automáticamente pasando la tarxeta sobre un fluxu de soldadura dilida, nuna máquina de soldadura per fola.^{[ensin referencies]}

El costu acomuñáu cola perforación de los furos y la llongura adicional de les pines, esaniciar al utilizar dispositivu de montaxe superficial (teunoloxía de montaxe superficial).

Composición física

La mayoría de los circuitos impresos tán compuestos por ente una a dieciséis capes conductores, separaes y soportaes por capes de material aislante (sustratu) laminadas (pegaes) ente sigo. De normal, la cantidá de capes d'una PCB depende dela cantidá de señales que se quieren rutar.

Les capes pueden conectase al traviés de furos, llamaos víes. Los furos pueden ser electorecubiertos; pa coneutar cada capa del circuitu, el fabricante por aciu un procesu químicu, deposita en toles superficies espuestes del panel, incluyendo les parés del furacu una fina capa de cobre químicu, esto crea una base metálica de cobre puru; o tamién pueden utilizase pequeños remaches. Los circuitos impresos d'alta densidá pueden tener “víes ciegues”, que son visibles en solo un llau de la tarxeta, o “víes soterraes”, que nun son visibles nel esterior de la tarxeta.

Sustratos

Los sustratos de los circuitos impresos utilizaos na electrónica de consumu de baxu costu, facer de papel trescaláu de resina fenólica, de cutiu llamaos pol so nome comercial: Pértinax. Usen designaciones como XXXP, XXXPC y FR-2. El material ye de baxu costu, fácil de mecanizar y causa menos gastadura de les ferramientes que los sustratos de fibra de vidriu reforzaos (la más conocida ye la FR-4). Les lletres "FR" na designación del material indiquen "retardante de llapada" (Flame Retardant, n'inglés).

Los sustratos pa los circuitos impresos utilizaos na electrónica industrial y de consumu d'altu costu, tán fechos típicamente d'un material designáu FR-4. Estos consisten nun material de fibra de vidriu, trescalaos con una resina epóxica resistente a les llapaes. Pueden ser mecanizados, pero debíu al conteníu de vidriu abrasivo, rique de ferramientes feches de carburu de tungsteniu na producción d'altos volumes. Debíu al reforzamientu de la fibra de vidriu, exhibe una resistencia a la flexón alredor de 5 vegaes más alta que'l Pertinax, anque a un costu más altu.

Los sustratos pa los circuitos impresos de circuitos de radiu en frecuencia d'alta potencia usen plásticos con una constante dieléctrica (permitividad) baxa, tales como Rogers® 4000, Rogers® Duroid, DuPont Teflón (tipos GT y GX), poliamida, poliestireno y poliestireno entecruzáu. Típicamente tienen propiedaes mecániques más probes, pero considérase que ye un compromisu d'inxeniería aceptable, en vista del so desempeñu llétricu superior.

Los circuitos impresos utilizaos nel vacíu o en gravedad cero, como nuna nave espacial, al ser incapaces de cuntar col enfriamientu por conveición, de cutiu tienen un nucleu gruesu de cobre o aluminiu pa estenar el calor de los componentes electrónicos.

Non toles tarxetes usen materiales ríxidos. Dalgunes son diseñaes pa ser bien o llixeramente flexibles, usando DuPont's Kapton filme de poliamida y otros. Esta clase de tarxetes, dacuando llamaes “circuitos flexibles”, o “circuitos ríxidu-flexibles”, respeutivamente, son difíciles de crear, pero tienen munches aplicaciones. Dacuando son flexibles p'aforrar espaciu (los circuitos impresos dientro de les cámares y auriculares son cuasi siempres circuitos flexibles, de tala forma que puedan doblar nel espaciu disponible llindáu. N'ocasiones, la parte flexible del circuitu impresu utilízase como cable o conexón móvil escontra otra tarxeta o dispositivu. Un exemplu d'esta última aplicación ye'l cable que coneuta'l cabezal nuna imprentadora d'inyección de tinta.

Carauterístiques básiques del sustratu

Mecániques

Abondo ríxidos pa caltener los componentes.
Malo de taladrar.
Ensin problemes de laminado.

Químiques

Metalizado de les parafuses.
Retardante de les llapaes.
Nun absuerbe demasiao mugor.

Térmiques

Estena bien el calor.
Coeficiente d'espansión térmica so por que nun se ruempa.
Capaz de soportar el calor na soldadura.
Capaz de soportar distintos ciclos de temperatura.

Llétriques

Constante dieléctrica baxa, pa tener poques perdes.
Rixidez dieléctrica (puntu de rotura dieléctrica) elevada.

Diseñu

Usualmente un inxenieru (llétricu o electrónicu) diseña'l circuitu y un especialista diseña'l circuitu impresu. El diseñador tien d'obedecer numberoses normes pa diseñar un circuitu impresu que funcione correutamente y que coles mesmes seya baratu de fabricar.

Automatización de diseñu electrónicu

Los diseñadores de circuitos impresos de cutiu utilicen programes d'automatización de diseñu electrónicu (EDA, poles sos sigles n'inglés), pa distribuyir ya interconectar los componentes. Estos programes almacenen información rellacionada col diseñu, facilita la edición, y puede tamién automatizar xeres repetitives.

La primer etapa ye convertir l'esquema nuna llista de nodos (net list n'inglés). La llista de nodos ye una llista de los pines (o patillas) y nodos del circuitu, a los que se conecten los pines de los componentes. Usualmente el programa de “captura d'esquemáticos”, utilizáu pol diseñador del circuitu, ye responsable de la xeneración de la llista de nodos, y esta llista ye darréu importada nel programa de ruteo.

El siguiente pasu ye determinar la posición de cada componente. La forma senciella de faer esto ye especificar una rejilla de files y columnes, onde los dispositivos tendríen de dir. Depués, el programa asigna'l pin 1 de cada dispositivu na llista de componentes, a una posición na rejilla. Típicamente, l'operador puede asistir a la rutina d'allugamientu automáticu al especificar ciertes zones de la tarxeta, onde tienen de dir determinaos grupos de componentes. Por casu, a les partes acomuñaes col subcircuito de la fonte d'alimentación podría asignáse-yos una zona cercana a la entrada al conector d'alimentación. N'otros casos, los componentes pueden ser asitiaos manualmente, yá seya pa optimizar el desempeñu del circuitu, o pa poner componentes tales como períes, interruptores y conectores, según riquir el diseñu mecánicu del sistema.

El programa depués espande la llista de componentes nuna llista completa de tolos pines pa la tarxeta, utilizando plantíes d'una biblioteca de footprints acomuñaos a cada tipu de componentes. Cada footprint ye un mapa de los pines d'un dispositivu, usualmente cola distribución de los pad y perforaciones encamentaes. La biblioteca dexa que los footprint sían dibuxaos solo una vegada, y depués compartíos por tolos dispositivos d'esi tipu.

En dellos sistemes, los pads d'alta corriente son identificaos na biblioteca de dispositivos, y los nodos acomuñaos son etiquetaos pa llamar l'atención del diseñador del circuitu impresu. Les corrientes elevaes riquen de pistes más anches, y el diseñador usualmente determina esti anchu.

Depués el programa combina la llista de nodos (ordenada pol nome de los pines) cola llista de pines (ordenada pol nome de cada unu de los pines), tresfiriendo les coordenaes físiques de la llista de pines a la llista de nodos. La llista de nodos ye depués reordenada, pol nome del nodo.

Dellos sistemes pueden optimizar el diseñu al intercambiar la posición de les partes y puertes lóxiques p'amenorgar la llongura de les pistes de cobre. Dellos sistemes tamién detecten automáticamente los pines d'alimentación de los dispositivos, y xeneren pistes o víes al planu d'alimentación o conductor más cercanu.

Depués el programa trata de rutear cada nodo na llista de señales-pines, atopando secuencies de conexón nes capes disponibles. De cutiu delles capes son asignaes a l'alimentación y a la tierra, y conócense como planu d'alimentación y tierra respeutivamente. Estos planos ayuden a blindar los circuitos del ruiu.

El problema de ruteo ye equivalente al problema del vendedor viaxeru, y ye polo tanto NP-completu, y nun s'empresta pa una solución perfecta. Un algoritmu práuticu de ruteo ye escoyer el pin más alloñáu del centru de la tarxeta, y depués usar un algoritmu cobiciosu” pa escoyer el siguiente pin más cercanu cola señal del mesmu nome.

Dempués del ruteo automáticu, usualmente hai una llista de nodos que tienen de ser ruteados manualmente.

Una vegada ruteado, el sistema puede tener un conxuntu d'estratexes p'amenorgar el costu de producción del circuitu impresu. Por casu, una rutina podría suprimir les víes innecesaries (cada vía ye una perforación, que cuesta dineru). Otres podríen arredondiar los cantos de les pistes, y enanchar o mover les pistes pa caltener l'espaciu ente estes dientro d'un marxe seguru. Otra estratexa podría ser afaer grandes árees de cobre de tala forma que elles formen nodos, o xuntar árees vacíes n'árees de cobre. Esto dexa amenorgar la contaminación de los productos químicos utilizaos mientres el grabáu y acelerar la velocidá de producción.

Dellos sistemes tienen “comprobación de regles de diseñu” pa validar la conectividad llétrica y separación ente les distintes partes, compatibilidá electromagnética, regles pa la manufactura, ensamblaxe y prueba de les tarxetes, fluxu de calor y otru tipu d'errores.

La serigrafía, mázcara antisoldante y plantía pa la pasta de soldar, de cutiu diséñense como capes auxiliares.

Manufactura

Patrones

La gran mayoría de les tarxetes pa circuitos impresos fáense xuntando una capa de cobre sobremanera'l sustratu, dacuando en dambos llaos (creando un circuitu impresu virxe), y depués retirando'l cobre ensin deseyar dempués d'aplicar una mázcara temporal (por casu, grabándola con percloruro férrico), dexando namái les pistes de cobre deseyáu. Dellos pocos circuitos impresos son fabricaos al ‘amestar’ les pistes al sustratu, al traviés d'un procesu complexu de electro-recubrimientu múltiple. Dellos circuitos impresos tienen capes con pistes nel interior d'este, y son llamaos circuitos impresos multicapas. Estos son formaos al tremar tarxetes delgaes que son procesaes en forma separada. Dempués de que la tarxeta foi fabricada, los componentes electrónicos se sueldan a la tarxeta.

Métodos típicos pa la producción de circuitos impresos

La impresión serigráfica utiliza tintes resistentes al grabáu pa protexer la capa de cobre. Los grabaos posteriores retiren el cobre ensin deseyar. Alternativamente, la tinta puede ser conductiva, ya imprímese nuna tarxeta virxe non conductiva. Esta postrera téunica tamién s'utiliza na fabricación de circuitos híbridos.
El fotograbáu utiliza una fotomecánica y grabáu químicu pa esaniciar la capa de cobre del sustratu. La fotomecánica usualmente preparar con un fotoplóter, a partir de los datos producíos por un programa pal diseñu de circuitos impresos. Delles vegaes utilicen tresparencies impreses nuna imprentadora láser como fotoherramientas de baxa resolución.
El fresado de circuitos impresos utiliza una fresa mecánica de 2 o 3 exes pa quitar el cobre del sustratu. Una fresa pa circuitos impresos funciona en forma similar a un plóter, recibiendo comandos dende un programa que controla'l cabezal de la fresa les exes x, y, y z. Los datos para controla la máquina son xeneraos pol programa de diseñu, y son almacenaos nun archivu en formatu HPGL o Gerber.
La impresión en material termosensible pa tresferir al traviés de calor a la placa de cobre. En dellos sitios comenten d'usu de papel glossy (fotográficu), y n'otros d'usu de papel con cera, como los papeles nos que vienen los autoadhesivos.

Tanto'l recubrimientu con tinta, como'l fotograbáu riquen d'un procesu d'atacáu químicu, nel cual el cobre escedente ye esaniciáu, quedando namái'l patrón deseyáu.

Atacáu

L'atacáu de la placa virxe puede realizase de distintes maneres. La mayoría de los procesos utilicen acedos o corroyentes pa esaniciar el cobre escedente. Esisten métodos de galvanoplastia que funcionen de manera rápida, pero col inconveniente de que ye necesariu atacar al ácidu la placa dempués del galvanizáu, yá que nun s'esanicia tol cobre.

Los químicos más utilizaos son el cloruru férrico, el sulfuru de amonio, el ácidu clorhídrico entemecíu con agua y peróxidu d'hidróxenu. Esisten formulaciones d'ataque de tipu alcalín y de tipu acedu. Según el tipu de circuitu a fabricar, considérase más conveniente un tipu de formulación o otru.

Pa la fabricación industrial de circuitos impresos ye conveniente utilizar máquines con tresporte de rodiellos y cámares d'asperxadura de los líquidos d'ataque, que cunten con control de temperatura, de control de presión y de velocidá de tresporte. Tamién ye necesariu que cunten con estracción y llaváu de gases.

Furáu

Les perforaciones o víes del circuitu impresu taladrar con pequeñes broques feches de carburu tungsteniu. El furáu ye realizáu por maquinaria automatizada, controlada por una cinta de perforaciones o archivu de perforaciones. Estos archivos xeneraos por ordenador son tamién llamaes “parafuses controlaes por ordenador” (NCD, poles sos sigles n'inglés) o “archivos Excellon”. L'archivu de perforaciones describe la posición y tamañu de cada perforación taladrada.

Cuando se riquir víes bien pequeñes, taladrar con broques ye costosu, por cuenta de la alta tasa d'usu y fraxilidá d'estes. Nestos casos, les víes pueden ser evaporadas por un láser. Les víes furaes d'esta forma usualmente tienen una terminación de menor calidá al interior del furu. Estes perforaciones llámense “micro víes”.

Tamién ye posible, al traviés de taladráu con control de fondura, furáu láser, o pre-taladrando les llámines individuales antes de la laminación, producir perforaciones que conecten namái dalgunes de les capes de cobre, en cuenta de travesar la tarxeta completa. Estes perforaciones llámense “víes ciegues” cuando conecten una capa interna con una de les capes esteriores, o “víes soterraes” cuando conecten dos capes internes.

Les parés de los furos, pa tarxetes con dos o más capes, son metalizadas con cobre pa formar “furos metalizados”, que conecten llétricamente les capes conductores del circuitu impresu.

Estañado y mázcara antisoldante

Los pads y superficies nes cualos van montase los componentes, usualmente se metalizan, una y bones el cobre al desnudu nun ye soldable fácilmente. Tradicionalmente, tol cobre espuestu yera metalizado con soldadura. Esta soldadura solía ser una aleación de plomu-estañu, sicasí, tán utilizándose nuevos compuestos pa cumplir cola direutiva RoHS de la Xunión Europea, que acuta l'usu de plomu. Los conectores de cantu, que se faen nos llaos de les tarxetes, de cutiu se metalizan con oru. El metalizado con oru dacuando faise na tarxeta completa.

Les árees que nun tienen de ser soldaes pueden ser recubiertes con un polímeru resistente a la soldadura’, que evita cortucircuitos ente los pines axacentes d'un componente.

Serigrafía

Los dibuxos y testu pueden imprimise nes superficies esteriores d'un circuitu impresu al traviés de la serigrafía. Cuando l'espaciu dexar, el testu de la serigrafía puede indicar los nomes de los componentes, la configuración de los interruptores, puntos de prueba, y otres carauterístiques útiles nel ensamblaxe, prueba y serviciu de la tarxeta. Tamién puede imprimise al traviés de teunoloxía d'impresión dixital por remexu de tinta (inkjet/Printar) y entornar información variable sobre'l circuitu (serialización, códigos de barra, información de trazabilidad).

Montaxe

Nes tarxetes through hole (“al traviés del furu”), los pines de los componentes inxertar nos furos, y son fites llétrica y mecánicamente a la tarxeta con soldadura.

Cola teunoloxía de montaxe superficial, los componentes se sueldan a los pads nes capes esteriores de la tarxetes. De cutiu esta teunoloxía combinar con componentes through hole, por cuenta de que dellos componentes tán disponibles namái nun formatu.

Pruebes y verificación

Les tarxetes ensin componentes pueden ser sometíes a “pruebes al desnudu”, onde se verifica cada conexón definida nel netlist na tarxeta rematada. Pa facilitar les pruebes en producciones de volumes grandes, úsase una Cama de pinchos” pa faer contautu coles árees de cobre o furos n'unu o dambos llaos de la tarxeta. Un ordenador indíca-y a la unidá de pruebes llétriques, qu'unvie una pequeña corriente llétrica al traviés de cada contautu de la cama de pinchos, y que verifique qu'esta corriente recibir nel otru estremu del contautu. Pa volumes medianos o pequeños, utilícense unidaes de prueba con un cabezal volante que fai contautu coles pistes de cobre y los furos pa verificar la conectividad de la placa verificada.

Proteición y paquete

Los circuitos impresos que s'utilicen n'ambientes estremos, usualmente tienen un recubrimientu, que aplícase somorguiando la tarxeta o al traviés d'un aerosol, dempués de que los componentes fueren soldaos. El recubrimientu previén l'escomiu y les corrientes de fuga o cortocircuito producto de la condensación. Los primeros recubrimientos utilizaos yeren ceres. Los recubrimientos modernos tán constituyíos por soluciones de goma silicosa, poliuretano, acrílicu o resina epóxida. Dalgunos son plásticos aplicaos nuna cámara al vaciu.

Teunoloxía de montaxe superficial

La teunoloxía de montaxe superficial foi desenvuelta na década de 1960, ganó impulsu en Xapón na década de 1980, y fíxose popular en tol mundu a mediaos de la década de 1990.

Los componentes fueron mecánicamente rediseñados pa tener pequeñes pestañes metáliques que podíen ser soldaes direutamente a la superficie de los circuitos impresos. Los componentes fixéronse muncho más pequeños, y l'usu de componentes en dambos llaos de les tarxetes fíxose muncho más común, dexando una densidá de componentes enforma mayor.

El montaxe superficial o de superficie emprestar pa un altu grau d'automatización, amenorgando'l costu en mano d'obra y aumentando les tases de producción. Estos dispositivos pueden amenorgar el so tamañu ente una cuarta a una décima parte, y la so costu ente la metá y la cuarta parte, comparáu con componentes through hole.

Llistáu de máquines industriales qu'intervienen na fabricación de PCB

Furadores de control numbéricu con cambéu automáticu de meches.
Furadora de control numbéricu 6 de 4 cabezales.
Laminadora.
Iluminadora de 2 x 1000 W d'una bandexa doble cara.
Iluminadora 60/75 de 2 x 5000 W de doble bandexa doble cara.
Reveladora de fotopolímeros de 4 cámares.
Desplacadora de fotopolímeros de 4 cámares.
Grabadora amoniacal de 2 cámares + doble enxagüe.
Grabadora amoniacal.
Imprentadores serigráficas semiautomátiques.
Imprentadora.
Pulidoras simples.
Pulidora.
Fotoplóter de película continua de triple rayo láser.
Reveladora continua de películes fotográfiques.
Router de control numbéricu de 1 cabezal de capacidá de 600 x 600 mm.
Furadora/apinadora de doble cabezal.
Compresores de pistón secu de 10 HP.
Compresor de torniellu de 30 HP.
Guillotina.
Fornos d'ensugáu.
Afiladora de meches de vidia de 6 piedres.
Máquina de V-scoring.
Reveladora con 2 cámares d'enxagüe.
Máquina Bonding por inducción pal rexistru de multicapas.
Prensa pal prensado de multicapas.

Programes pal diseñu de circuitos impresos

Ver tamién

Automatización de diseñu electrónicu
Fotoplóter o Plóter ópticu

Notes y referencies

↑ Mitzner, Kraig (2009). Complete PCB design using OrCAD Prinde and PCB editor. Elsevier.
↑ Coombs, Clyde (2001). Coombs Printed Circuits Handbook. McGraw-Hill.

Enllaces esternos

Cómo fabricar circuitos impresos - Cómo faer fácilmente circuitos impresos.
Tutoriales en Robotic-Lab Archiváu 2018-12-20 en Wayback Machine - Como faer de forma casera y económica circuitos impresos.
tos_propios_PCB Como fabricar los tos propios PCB - Un tutorial pasu a pasu con fotografíes sobre como construyir circuitos impresos en casa.
Calculadores de la impedancia del PCB Archiváu 2008-03-14 en Wayback Machine (inglés).
(enllaz rotu disponible n'Internet Archive; ver l'historial y la última versión). tipos de laminados usaos pa la fabricación de circuitos impresos
Mandu de garaxe Información adicional alrodiu de los usos de los circuitos impresos.

[1] Mitzner, Kraig (2009). Complete PCB design using OrCAD Prinde and PCB editor. Elsevier.

[2] Coombs, Clyde (2001). Coombs Printed Circuits Handbook. McGraw-Hill.

[1]

[2]