Circuitos Impresos (PCB): Una Mirada Detallada

Un circuito impreso o PCB (del inglés printed circuit board) es un medio para sostener mecánicamente y conectar eléctricamente componentes electrónicos a través de rutas o pistas de material conductor, grabados en hojas de cobre laminadas sobre un sustrato no conductor, comúnmente baquelita o fibra de vidrio.

Tipos de Circuitos Impresos

• Multicapa: Es el tipo más habitual en productos comerciales. Suele tener entre 8 y 10 capas, de las cuales algunas están enterradas en el sustrato.
• 2-sided plated holes: Es un diseño muy complicado de bajo coste con taladros metalizados que nos permite hacer pasos de cara.
• Single-sided non-plated holes: Es un PCB con agujeros sin metalizar. Se usa en diseños de bajo coste y sencillos.
• 2-sided non-plated holes: Diseño sencillo con taladros sin metalizar. Sustrato de fibras de vidrio y resina. Hay que soldar por los dos lados para que haya continuidad.

Composición Física de los PCB

La mayoría de los circuitos impresos están compuestos por entre una a dieciséis capas conductoras, separadas y soportadas por capas de material aislante (sustrato) laminadas (pegadas) entre sí. Las capas pueden conectarse a través de orificios, llamados vías. Los orificios pueden ser electorecubiertos, o se pueden utilizar pequeños remaches.

Sustratos

Los sustratos de los circuitos impresos utilizados en la electrónica de consumo de bajo costo se hacen de papel impregnado de resina fenólica, a menudo llamados por su nombre comercial Pertinax. Usan designaciones como XXXP, XXXPC y FR-2. El material es de bajo costo, fácil de mecanizar y causa menos desgaste de las herramientas que los sustratos de fibra de vidrio reforzados. Las letras «FR» en la designación del material indican «retardante de llama».

Los sustratos para los circuitos impresos utilizados en la electrónica industrial y de consumo de alto costo están hechos típicamente de un material designado FR-4. Estos consisten de un material de fibra de vidrio, impregnado con una resina epóxica resistente a las llamas. Pueden ser mecanizados, pero debido al contenido de vidrio abrasivo, requiere de herramientas hechas de carburo de tungsteno en la producción de altos volúmenes. Debido al reforzamiento de la fibra de vidrio, exhibe una resistencia a la flexión y a las trizaduras alrededor de 5 veces más alta que el Pertinax, aunque a un costo más alto.

La parte flexible del circuito impreso se utiliza como cable o conexión móvil hacia otra tarjeta o dispositivo.

Características Básicas del Sustrato

Mecánicas

• Suficientemente rígidos para mantener los componentes.
• Fácil de taladrar.
• Sin problemas de laminado.

Químicas

• Metalizado de los taladros.
• Retardante de las llamas.
• No absorbe demasiada humedad.

Térmicas

• Disipa bien el calor.
• Coeficiente de expansión térmica bajo para que no se rompa.
• Capaz de soportar el calor en la soldadura.
• Capaz de soportar diferentes ciclos de temperatura.

Eléctricas

• Constante dieléctrica baja para tener pocas pérdidas.
• Punto de ruptura dieléctrica alto.

Manufactura de PCB

La gran mayoría de las tarjetas para circuitos impresos se hacen adhiriendo una capa de cobre sobre todo el sustrato, a veces en ambos lados, dejando sólo las pistas de cobre deseado. Algunos pocos circuitos impresos son fabricados al agregar las pistas al sustrato a través de un proceso complejo de electrorecubrimiento múltiple. Algunos circuitos impresos tienen capas con pistas en el interior de este, y son llamados circuitos impresos multicapas. Estos son formados al aglomerar tarjetas delgadas que son procesadas en forma separada. Después de que la tarjeta ha sido fabricada, los componentes electrónicos se sueldan a la tarjeta.

Producción de Circuitos Impresos

• Impresión serigráfica: Utiliza tintas resistentes al grabado para proteger la capa de cobre. Los grabados posteriores retiran el cobre no deseado. Alternativamente, la tinta puede ser conductiva, y se imprime en una tarjeta virgen no conductiva. Esta última técnica también se utiliza en la fabricación de circuitos híbridos.
• Fotograbado: Utiliza una fotomecánica y grabado químico para eliminar la capa de cobre del sustrato. La fotomecánica usualmente se prepara con un fotoplotter, a partir de los datos producidos por un programa para el diseño de circuitos impresos. Algunas veces se utilizan transparencias impresas en una impresora láser como fotoherramientas de baja resolución.
• Fresado de circuitos impresos: Utiliza una fresa mecánica de 2 o 3 ejes para quitar el cobre del sustrato. Una fresa para circuitos impresos funciona en forma similar a un plotter, recibiendo comandos desde un programa que controla el cabezal de la fresa los ejes x, y y z. Los datos para controlar la máquina son generados por el programa de diseño, y son almacenados en un archivo en formato HPGL o Gerber.
• Impresión en material termosensible: Para transferir a través de calor a la placa de cobre. En algunos sitios comentan de uso de papel glossy (fotográfico), y en otros de uso de papel con cera como los papeles en los que vienen los autoadesivos.
• Atacado: El atacado de la placa virgen se puede realizar de diferentes maneras. La mayoría de los procesos utilizan ácidos o corrosivos para eliminar el cobre excedente. Para la fabricación industrial de circuitos impresos es conveniente utilizar máquinas con transporte de rodillos y cámaras de aspersión de los líquidos de ataque, que cuentan con control de temperatura, de presión y de velocidad de transporte. También es necesario que cuenten con extracción y lavado de gases.
• Perforado: Las perforaciones, o vías, del circuito impreso se taladran con pequeñas brocas hechas de carburo tungsteno. El perforado es realizado por maquinaria automatizada, controlada por una cinta de perforaciones o archivo de perforaciones. El archivo de perforaciones describe la posición y tamaño de cada perforación taladrada. Cuando se requieren vías muy pequeñas pueden ser evaporadas por un láser. Existen vías ciegas cuando conectan una capa interna con una de las capas exteriores y vías enterradas cuando conectan dos capas internas.
• Estaño y máscara antisoldante: Tradicionalmente, todo el cobre expuesto era metalizado con soldadura. Esta soldadura solía ser una aleación de plomo-estaño, sin embargo, se están utilizando nuevos compuestos para cumplir con la directiva RoHS de la UE, la cual restringe el uso de plomo. Los conectores de borde, que se hacen en los lados de las tarjetas, a menudo se metalizan con oro. El metalizado con oro a veces se hace en la tarjeta completa.
• Serigrafía: Los dibujos y texto se pueden imprimir en las superficies exteriores de un circuito impreso a través de la serigrafía. Cuando el espacio lo permite, el texto de la serigrafía puede indicar los nombres de los componentes, la configuración de los interruptores, puntos de prueba, y otras características útiles en el ensamblaje, prueba y servicio de la tarjeta.
• Montaje: En las tarjetas through hole (a través del orificio), las patas de los componentes se insertan en los orificios, y son fijadas eléctrica y mecánicamente a la tarjeta con soldadura. Con la tecnología de montaje superficial, los componentes se sueldan a los pads en las capas exteriores de las tarjetas. A menudo esta tecnología se combina con componentes through hole, debido a que algunos componentes están disponibles sólo en un formato.
• Pruebas y verificación: Las tarjetas sin componentes pueden ser sometidas a pruebas al desnudo, donde se verifica cada conexión definida en el netlist en la tarjeta finalizada. Para facilitar las pruebas en producciones de volúmenes grandes, se usa una Cama de pinchos para hacer contacto con las áreas de cobre u orificios en uno o ambos lados de la tarjeta.
• Protección y paquete: Las tarjetas sin componentes pueden ser sometidas a pruebas al desnudo, donde se verifica cada conexión definida en el netlist en la tarjeta finalizada. Para facilitar las pruebas en producciones de volúmenes grandes, se usa una Cama de pinchos para hacer contacto con las áreas de cobre u orificios en uno o ambos lados de la tarjeta.