Placa de circuito impreso

No confundir con la electrónica impresa .

"Circuito impreso" vuelve a dirigir aquí. No debe confundirse con Printed Circuit Corporation .

Placa para soportar y conectar componentes electrónicos

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PCB de un reproductor de DVD. Los PCB típicos son verdes, pero también pueden fabricarse en otros colores.

Parte de una placa de computadora Sinclair ZX Spectrum de 1984 , una PCB, que muestra las trazas conductoras, las vías (las rutas de los orificios pasantes a la otra superficie) y algunos componentes electrónicos montados mediante un montaje de orificios pasantes.

Una placa de circuito impreso ( PCB ) soporta mecánicamente y conecta eléctricamente componentes eléctricos o electrónicos utilizando pistas conductoras , almohadillas y otras características grabadas de una o más capas de láminas de cobre laminadas sobre y / o entre capas de láminas de un sustrato no conductor . Los componentes generalmente se sueldan a la PCB para conectarlos eléctricamente y sujetarlos mecánicamente.

Las placas de circuito impreso se utilizan en todos los productos electrónicos, excepto en los más simples. También se utilizan en algunos productos eléctricos, como las cajas de interruptores pasivos.

Las alternativas a los PCB incluyen la envoltura de alambre y la construcción punto a punto , ambas una vez populares pero que ahora rara vez se usan. Los PCB requieren un esfuerzo de diseño adicional para diseñar el circuito, pero la fabricación y el ensamblaje se pueden automatizar. El software de diseño asistido por computadora está disponible para hacer gran parte del trabajo de diseño. Los circuitos de producción masiva con PCB son más baratos y rápidos que con otros métodos de cableado, ya que los componentes se montan y conectan en una sola operación. Se pueden fabricar grandes cantidades de PCB al mismo tiempo, y el diseño solo debe realizarse una vez. Los PCB también se pueden fabricar manualmente en pequeñas cantidades, con beneficios reducidos.

Los PCB pueden ser de una cara (una capa de cobre), de doble cara (dos capas de cobre en ambos lados de una capa de sustrato) o multicapa (capas exterior e interior de cobre, alternando con capas de sustrato). Las placas de circuito impreso multicapa permiten una densidad de componentes mucho mayor, porque las trazas de circuito en las capas internas ocuparían espacio de superficie entre los componentes. El aumento de la popularidad de las placas de circuito impreso multicapa con más de dos, y especialmente con más de cuatro, planos de cobre coincidió con la adopción de la tecnología de montaje en superficie . Sin embargo, los PCB multicapa hacen que la reparación, el análisis y la modificación en campo de los circuitos sean mucho más difíciles y, por lo general, poco prácticos.

El mercado mundial de PCB desnudos superó los 60.200 millones de dólares en 2014 ^[1] y se estima que alcanzará los 79.000 millones de dólares en 2024 ^{[2] [3].}

Resumen

Un PCB básico consta de una hoja plana de material aislante y una capa de lámina de cobre , laminada al sustrato. El grabado químico divide el cobre en líneas conductoras separadas llamadas pistas o trazos de circuito , almohadillas para conexiones, vías para pasar conexiones entre capas de cobre y características como áreas conductoras sólidas para blindaje electromagnético u otros fines. Las pistas funcionan como cables fijados en su lugar y están aislados entre sí por el aire y el material del sustrato de la placa. La superficie de una placa de circuito impreso puede tener un revestimiento que protege al cobre de la corrosión y reduce las posibilidades de cortocircuitos en la soldadura.entre trazas o contacto eléctrico no deseado con cables desnudos sueltos. Por su función de ayudar a prevenir cortocircuitos de soldadura, el recubrimiento se denomina resistencia de soldadura o máscara de soldadura.

Una placa de circuito impreso puede tener varias capas de cobre. Un tablero de dos capas tiene cobre en ambos lados; Los tableros multicapa intercalan capas de cobre adicionales entre capas de material aislante. Los conductores de diferentes capas están conectados con vías , que son orificios enchapados en cobre que funcionan como túneles eléctricos a través del sustrato aislante. Los cables de componentes de orificios pasantes a veces también funcionan eficazmente como vías. Después de los PCB de dos capas, el siguiente paso suele ser de cuatro capas. A menudo, dos capas se dedican como fuente de alimentación y planos de tierra , y las otras dos se utilizan para el cableado de señales entre componentes.

Los componentes de "orificio pasante" se montan mediante sus cables conductores que pasan a través de la placa y se sueldan a trazas en el otro lado. Los componentes de "montaje en superficie" están unidos por sus cables a pistas de cobre en el mismo lado de la placa. Una placa puede utilizar ambos métodos para montar componentes. Las placas de circuito impreso con solo componentes montados en orificios pasantes ahora son poco comunes. El montaje en superficie se utiliza para transistores , diodos , chips IC , resistencias y condensadores. El montaje con orificio pasante se puede utilizar para algunos componentes grandes, como condensadores electrolíticos y conectores.

El patrón que se grabará en cada capa de cobre de una PCB se denomina "ilustración". El grabado se realiza generalmente con fotorresistencia que se recubre sobre la PCB, luego se expone a la luz proyectada en el patrón de la obra de arte. El material protector protege el cobre de la disolución en la solución de grabado. Luego se limpia el tablero grabado. Un diseño de PCB se puede reproducir en masa de una manera similar a la forma en que las fotografías se pueden duplicar en masa a partir de negativos de película utilizando una impresora fotográfica .

En tableros multicapa, las capas de material se laminan juntas en un sándwich alterno: cobre, sustrato, cobre, sustrato, cobre, etc .; Se graba cada plano de cobre, y las vías internas (que no se extenderán a ambas superficies externas del tablero multicapa terminado) se recubren, antes de que las capas se laminen juntas. Solo es necesario recubrir las capas exteriores; las capas internas de cobre están protegidas por las capas de sustrato adyacentes.

El epoxi de vidrio FR-4 es el sustrato aislante más común. Otro material de sustrato es el papel de algodón impregnado con resina fenólica , a menudo de color tostado o marrón.

Cuando una PCB no tiene componentes instalados, se le llama de forma menos ambigua placa de cableado impreso ( PWB ) o placa de cableado grabada . Sin embargo, el término "placa de circuito impreso" ha caído en desuso. Una PCB con componentes electrónicos se denomina conjunto de circuito impreso ( PCA ), conjunto de placa de circuito impreso o conjunto de PCB ( PCBA ). En el uso informal, el término "placa de circuito impreso" significa más comúnmente "conjunto de circuito impreso" (con componentes). El término preferido de IPC para las placas ensambladas es conjunto de tarjeta de circuito ( CCA ), ^[4]y para los backplanes ensamblados son los ensambles del backplane . "Tarjeta" es otro término informal ampliamente utilizado para un "conjunto de circuito impreso". Por ejemplo, tarjeta de expansión .

Una PCB puede imprimirse con una leyenda que identifique los componentes, los puntos de prueba o el texto de identificación. Originalmente, la serigrafía se usaba para este propósito, pero hoy en día se usan generalmente otros métodos de impresión de mejor calidad. Normalmente, la leyenda no afecta la función del PCBA.

Una PCB mínima para un solo componente, que se utiliza para la creación de prototipos , se denomina placa de conexión . El propósito de una placa de conexiones es "romper" los cables de un componente en terminales separados para que las conexiones manuales a ellos se puedan realizar fácilmente. Las placas de conexión se utilizan especialmente para componentes de montaje en superficie o cualquier componente con paso de plomo fino.

Los PCB avanzados pueden contener componentes incrustados en el sustrato, como condensadores y circuitos integrados, para reducir la cantidad de espacio que ocupan los componentes en la superficie del PCB al tiempo que se mejoran las características eléctricas. ^[5]

Características

Tecnología de orificio pasante

Artículo principal: tecnología de orificio pasante

Resistencias de orificio pasante (con plomo)

Los primeros PCB utilizaron tecnología de orificios pasantes, montando componentes electrónicos mediante cables insertados a través de orificios en un lado de la placa y soldados a trazas de cobre en el otro lado. Las placas pueden ser de una cara, con un lado de los componentes sin enchapar, o placas de doble cara más compactas, con componentes soldados en ambos lados. La instalación horizontal de piezas de orificio pasante con dos conductores axiales (como resistencias, condensadores y diodos) se realiza doblando los conductores 90 grados en la misma dirección, insertando la pieza en la placa (a menudo doblando los conductores ubicados en la parte posterior de la placa). tablero en direcciones opuestas para mejorar la resistencia mecánica de la pieza), soldando los cables y recortando los extremos. Los cables se pueden soldar manualmente o con una máquina de soldadura por ola .^[6]

La fabricación de orificios pasantes aumenta el costo de la placa al requerir que se taladren con precisión muchos orificios y limita el área de enrutamiento disponible para los rastros de señal en las capas inmediatamente debajo de la capa superior en las placas de múltiples capas, ya que los orificios deben pasar a través de todas las capas hasta el lado opuesto. Una vez que se puso en uso el montaje en superficie, se utilizaron componentes SMD de tamaño pequeño siempre que fue posible, con el montaje por orificio pasante solo de componentes que no eran adecuados para el montaje en superficie debido a requisitos de energía o limitaciones mecánicas, o sujetos a tensiones mecánicas que podrían dañar la PCB (por ejemplo, levantando el cobre de la superficie del tablero). ^{[ cita requerida ]}

• Dispositivos de orificio pasante montados en la placa de circuito de una computadora doméstica Commodore 64 de mediados de la década de 1980

• Caja de brocas que se utiliza para hacer agujeros en placas de circuito impreso. Si bien las brocas de carburo de tungsteno son muy duras, eventualmente se desgastan o se rompen. La perforación es una parte considerable del costo de una placa de circuito impreso de orificio pasante.

Tecnología de montaje en superficie

Artículo principal: tecnología de montaje en superficie

Componentes de montaje en superficie, incluidos resistores, transistores y un circuito integrado

La tecnología de montaje en superficie surgió en la década de 1960, ganó impulso a principios de la década de 1980 y se utilizó ampliamente a mediados de la década de 1990. Los componentes se rediseñaron mecánicamente para que tuvieran pequeñas lengüetas de metal o tapas de extremo que pudieran soldarse directamente sobre la superficie de la PCB, en lugar de cables para pasar a través de los orificios. Los componentes se volvieron mucho más pequeños y la colocación de los componentes en ambos lados de la placa se volvió más común que con el montaje de orificios pasantes, lo que permitió ensamblajes de PCB mucho más pequeños con densidades de circuito mucho más altas. El montaje en superficie se presta bien a un alto grado de automatización, lo que reduce los costos de mano de obra y aumenta considerablemente las tasas de producción en comparación con las placas de circuito de orificio pasante. Los componentes se pueden suministrar montados en cintas transportadoras. Los componentes de montaje en superficie pueden tener entre un cuarto y un décimo del tamaño y peso de los componentes del orificio pasante,y componentes pasivos mucho más económicos. Sin embargo, los precios de los semiconductoresLos dispositivos de montaje en superficie (SMD) están determinados más por el chip en sí que por el paquete, con poca ventaja de precio sobre paquetes más grandes, y algunos componentes con extremos de cable, como los diodos de conmutación de señal pequeña 1N4148 , son en realidad significativamente más baratos que los equivalentes de SMD.

Una PCB en un mouse de computadora : el lado del componente (izquierda) y el lado impreso (derecha)

Propiedades del circuito de la PCB

Cada trazo consiste en una parte plana y estrecha de la lámina de cobre que queda después del grabado. Su resistencia , determinada por su ancho, espesor y largo, debe ser lo suficientemente baja para la corriente que transportará el conductor. Es posible que las trazas de energía y tierra necesiten ser más anchas que las trazas de señal. En una placa de múltiples capas, una capa completa puede ser principalmente de cobre sólido para actuar como un plano de tierra para el blindaje y el retorno de energía. Para los circuitos de microondas , las líneas de transmisión se pueden colocar en forma plana , como una línea de banda o una microbanda, con dimensiones cuidadosamente controladas para asegurar una impedancia constante.. En los circuitos de conmutación rápida y de radiofrecuencia, la inductancia y capacitancia de los conductores de la placa de circuito impreso se convierten en elementos de circuito importantes, normalmente no deseados; a la inversa, pueden usarse como una parte deliberada del diseño del circuito, como en filtros de elementos distribuidos , antenas y fusibles , obviando la necesidad de componentes discretos adicionales. Los PCB de interconexiones de alta densidad (HDI) tienen pistas y / o vías con un ancho o diámetro de menos de 152 micrómetros. ^[7]

Materiales

PCB compatible con RoHS

La Unión Europea prohíbe el uso de plomo (entre otros metales pesados) en artículos de consumo, una legislación llamada RoHS , directiva de Restricción de Sustancias Peligrosas. Los PCB que se venderán en la UE deben cumplir con RoHS, lo que significa que todos los procesos de fabricación no deben implicar el uso de plomo, todas las soldaduras utilizadas deben estar libres de plomo y todos los componentes montados en la placa deben estar libres de plomo, mercurio, cadmio y otros metales pesados. ^{[8] [9]}

Laminados

Los laminados se fabrican curando a presión y temperatura capas de tela o papel con resina termoendurecible para formar una pieza final integral de espesor uniforme. El tamaño puede ser de hasta 4 por 8 pies (1,2 por 2,4 m) de ancho y largo. Se utilizan diferentes tejidos de tela (hilos por pulgada o cm), el grosor de la tela y el porcentaje de resina para lograr el grosor final y las características dieléctricas deseadas . Los espesores de laminado estándar disponibles se enumeran en ANSI / IPC-D-275. ^[10]

La tela o material de fibra utilizado, el material de resina y la relación entre tela y resina determinan la designación del tipo de laminado (FR-4, CEM-1, G-10, etc.) y, por lo tanto, las características del laminado producido. Las características importantes son el nivel al que el laminado es ignífugo , la constante dieléctrica (e _r ), el factor de pérdida (tδ), la resistencia a la tracción , la resistencia al corte , la temperatura de transición vítrea (T _g ) y el eje Z coeficiente de expansión (cuánto cambia el espesor con la temperatura).

Hay bastantes dieléctricos diferentes que se pueden elegir para proporcionar diferentes valores de aislamiento según los requisitos del circuito. Algunos de estos dieléctricos son politetrafluoroetileno (teflón), FR-4, FR-1, CEM-1 o CEM-3. Los materiales preimpregnados bien conocidos utilizados en la industria de PCB son FR-2 (papel de algodón fenólico), FR-3 (papel de algodón y epoxi), FR-4 (vidrio tejido y epoxi), FR-5 (vidrio tejido y epoxi) , FR-6 (vidrio mate y poliéster), G-10 (vidrio tejido y epoxi), CEM-1 (papel de algodón y epoxi), CEM-2 (papel de algodón y epoxi), CEM-3 (vidrio no tejido y epoxi), CEM-4 (tejido de vidrio y epoxi), CEM-5 (tejido de vidrio y poliéster). La expansión térmica es una consideración importante, especialmente con la matriz de rejilla de bolas (BGA) y tecnologías de troquel desnudo, y la fibra de vidrio ofrece la mejor estabilidad dimensional.

FR-4 es, con mucho, el material más utilizado en la actualidad. La cartulina con cobre sin grabar se llama "laminado revestido de cobre".

Con la disminución del tamaño de las características del tablero y el aumento de las frecuencias, las pequeñas no homogeneidades como la distribución desigual de la fibra de vidrio u otro relleno, las variaciones de espesor y las burbujas en la matriz de resina, y las variaciones locales asociadas en la constante dieléctrica, están ganando importancia.

Parámetros clave del sustrato

Los sustratos de la placa de circuito suelen ser materiales compuestos dieléctricos. Los compuestos contienen una matriz (generalmente una resina epoxi) y un refuerzo (generalmente una fibra de vidrio tejida, a veces no tejida, a veces incluso papel) y, en algunos casos, se agrega un relleno a la resina (por ejemplo, cerámica; se puede usar cerámica de titanato para aumentar la constante dieléctrica).

El tipo de refuerzo define dos clases principales de materiales: tejidos y no tejidos. Los refuerzos tejidos son más baratos, pero la alta constante dieléctrica del vidrio puede no ser favorable para muchas aplicaciones de alta frecuencia. La estructura espacialmente no homogénea también introduce variaciones locales en los parámetros eléctricos, debido a la diferente relación resina / vidrio en diferentes áreas del patrón de tejido. Los refuerzos no tejidos, o los materiales con poco o ningún refuerzo, son más caros pero más adecuados para algunas aplicaciones de RF / analógicas.

Los sustratos se caracterizan por varios parámetros clave, principalmente termomecánica ( temperatura de transición vítrea , resistencia a la tracción , resistencia a la cizalladura , de expansión térmica ), eléctrica ( constante dieléctrica , la tangente de pérdida , tensión de ruptura dieléctrica , la corriente de fuga , de seguimiento de resistencia ...), y otros (por ejemplo, absorción de humedad ).

A la temperatura de transición vítrea, la resina del compuesto se ablanda y aumenta significativamente la expansión térmica; exceder la T _g ejerce una sobrecarga mecánica en los componentes de la placa, por ejemplo, las juntas y las vías. Por debajo de T _g, la expansión térmica de la resina coincide aproximadamente con el cobre y el vidrio, por encima de ella aumenta significativamente. A medida que el refuerzo y el cobre confinan el tablero a lo largo del plano, prácticamente toda la expansión del volumen se proyecta hacia el espesor y tensiona los orificios pasantes enchapados. La soldadura repetida u otra exposición a temperaturas más altas pueden causar fallas en el enchapado, especialmente con tableros más gruesos; por lo tanto, los tableros gruesos requieren una matriz con una T _g alta .

Los materiales utilizados determinan la constante dieléctrica del sustrato. Esta constante también depende de la frecuencia, por lo general disminuye con la frecuencia. Como esta constante determina la velocidad de propagación de la señal , la dependencia de la frecuencia introduce una distorsión de fase en aplicaciones de banda ancha; Aquí es importante una constante dieléctrica tan plana en función de las características de frecuencia como sea posible. La impedancia de las líneas de transmisión disminuye con la frecuencia, por lo tanto, los bordes más rápidos de las señales reflejan más que los más lentos.

El voltaje de ruptura dieléctrica determina el gradiente de voltaje máximo al que puede estar sometido el material antes de sufrir una ruptura (conducción o arco a través del dieléctrico).

La resistencia de seguimiento determina cómo el material resiste las descargas eléctricas de alto voltaje que se arrastran sobre la superficie de la placa.

La tangente de pérdida determina la cantidad de energía electromagnética de las señales en los conductores que se absorbe en el material de la placa. Este factor es importante para altas frecuencias. Los materiales de baja pérdida son más caros. La elección de material innecesariamente de baja pérdida es un error de ingeniería común en el diseño digital de alta frecuencia; aumenta el costo de los tableros sin un beneficio correspondiente. La degradación de la señal por tangente de pérdida y constante dieléctrica se puede evaluar fácilmente mediante un patrón visual .

La absorción de humedad ocurre cuando el material se expone a mucha humedad o agua. Tanto la resina como el refuerzo pueden absorber agua; el agua también puede empaparse por fuerzas capilares a través de huecos en los materiales y a lo largo del refuerzo. Los epóxidos de los materiales FR-4 no son demasiado susceptibles, con una absorción de solo 0,15%. El teflón tiene una absorción muy baja del 0,01%. Las poliimidas y los ésteres de cianato, por otro lado, sufren una alta absorción de agua. El agua absorbida puede provocar una degradación significativa de parámetros clave; afecta la resistencia de seguimiento, el voltaje de ruptura y los parámetros dieléctricos. La constante dieléctrica relativa del agua es aproximadamente 73, en comparación con aproximadamente 4 para los materiales comunes de las placas de circuito. La humedad absorbida también puede vaporizarse al calentarla, como durante la soldadura, y causar agrietamiento y delaminación, ^[11]el mismo efecto es responsable de los daños por "popcorning" en los envases húmedos de los componentes electrónicos. Es posible que se requiera un horneado cuidadoso de los sustratos para secarlos antes de soldarlos. ^[12]

Sustratos comunes

Materiales que se encuentran a menudo:

• FR-2 , papel fenólico o papel de algodón fenólico, papel impregnado con resina de fenol formaldehído . Común en la electrónica de consumo con placas de una cara. Propiedades eléctricas inferiores a FR-4. Poca resistencia al arco. Generalmente clasificado a 105 ° C.
• FR-4 , un paño de fibra de vidrio impregnado con una resina epoxi . Baja absorción de agua (hasta aproximadamente 0,15%), buenas propiedades de aislamiento, buena resistencia al arco. Muy común. Se encuentran disponibles varios grados con propiedades algo diferentes. Típicamente clasificado a 130 ° C.
• Aluminio , placa de núcleo de metal o sustrato de metal aislado (IMS), revestido con un dieléctrico delgado termoconductor (utilizado para piezas que requieren una refrigeración significativa), interruptores de potencia, LED. Consiste en una placa de circuito delgada, generalmente de una sola capa, a veces de doble capa, basada, por ejemplo, en FR-4, laminada sobre chapa de aluminio, comúnmente de 0,8, 1, 1,5, 2 o 3 mm de espesor. Los laminados más gruesos a veces también vienen con una metalización de cobre más gruesa.
• Sustratos flexibles : puede ser una lámina revestida de cobre independiente o puede laminarse con un refuerzo delgado, por ejemplo, 50-130 µm
  • Kapton o UPILEX , ^[13] una hoja de poliimida . Se utiliza para circuitos impresos flexibles , en esta forma común en la electrónica de consumo de factor de forma pequeño o para interconexiones flexibles. Resistente a altas temperaturas.
  • Pyralux , una lámina compuesta de poliimida-fluoropolímero. ^[14] La capa de cobre puede deslaminarse durante la soldadura.

Materiales que se encuentran con menos frecuencia:

• FR-1, como FR-2, típicamente especificado a 105 ° C, algunos grados clasificados a 130 ° C. Perforable a temperatura ambiente. Similar al cartón. Poca resistencia a la humedad. Baja resistencia al arco.
• FR-3, papel de algodón impregnado con epoxi. Típicamente clasificado a 105 ° C.
• FR-5, fibra de vidrio tejida y epoxi, de alta resistencia a temperaturas más altas, normalmente especificado hasta 170 ° C.
• FR-6, vidrio mate y poliéster
• G-10, vidrio tejido y epoxi: alta resistencia de aislamiento, baja absorción de humedad, muy alta fuerza de unión. Típicamente clasificado a 130 ° C.
• G-11, vidrio tejido y epoxi: alta resistencia a los disolventes, alta retención de la resistencia a la flexión a altas temperaturas. ^[15] Típicamente clasificado a 170 ° C.
• CEM-1, papel de algodón y epoxi
• CEM-2, papel de algodón y epoxi
• CEM-3, vidrio no tejido y epoxi
• CEM-4, vidrio tejido y epoxi
• CEM-5, tejido de vidrio y poliéster
• PTFE , ("Teflon") - costoso, baja pérdida dieléctrica, para aplicaciones de alta frecuencia, muy baja absorción de humedad (0.01%), mecánicamente suave. Difícil de laminar, rara vez se utiliza en aplicaciones multicapa.
• PTFE, relleno de cerámica: costoso, baja pérdida dieléctrica, para aplicaciones de alta frecuencia. La variación de la relación cerámica / PTFE permite ajustar la constante dieléctrica y la expansión térmica.
• RF-35, PTFE relleno de cerámica reforzada con fibra de vidrio. Relativamente menos costoso, buenas propiedades mecánicas, buenas propiedades de alta frecuencia. ^{[16] [17]}
• Alúmina , una cerámica. Duro, quebradizo, muy caro, de muy alto rendimiento, buena conductividad térmica.
• Poliamida , un polímero de alta temperatura. Caro, de alto rendimiento. Mayor absorción de agua (0,4%). Puede utilizarse desde temperaturas criogénicas hasta más de 260 ° C.

Espesor de cobre

El espesor de cobre de los PCB se puede especificar directamente o como el peso de cobre por área (en onzas por pie cuadrado), que es más fácil de medir. Una onza por pie cuadrado es 1.344 milésimas de pulgada o 34 micrómetros de espesor. El cobre pesado es una capa que excede las tres onzas de cobre por pie ² , o aproximadamente 0.0042 pulgadas (4.2 milésimas de pulgada, 105 μm) de espesor. Se utilizan capas de cobre pesadas para alta corriente o para ayudar a disipar el calor.

En los sustratos FR-4 comunes, el espesor más común es de 1 oz de cobre por pie ² (35 µm); El grosor de 2 oz (70 µm) y 0,5 oz (17,5 µm) suele ser una opción. Menos comunes son 12 y 105 µm, a veces hay 9 µm disponibles en algunos sustratos. Los sustratos flexibles suelen tener una metalización más fina. Las placas con núcleo de metal para dispositivos de alta potencia suelen utilizar cobre más grueso; Lo habitual es 35 µm, pero también se pueden encontrar 140 y 400 µm.

En los EE. UU., El espesor de la hoja de cobre se especifica en unidades de onzas por pie cuadrado (oz / pie ² ), comúnmente denominado simplemente onza . Los espesores comunes son 1/2 oz / ft ² (150 g / m ² ), 1 oz / ft ² (300 g / m ² ), 2 oz / ft ² (600 g / m ² ) y 3 oz / ft ² (900 g / m ² ). Estos funcionan con espesores de 17.05 μm (0.67 miles ), 34.1 μm (1.34 miles ), 68.2 μm (2.68 miles) y 102.3 μm (4.02 miles), respectivamente. 1/2 oz / pie ²La lámina no se usa ampliamente como un peso de cobre terminado, pero se usa para capas externas cuando el enchapado para orificios pasantes aumentará el peso del cobre terminado.Algunos fabricantes de PCB se refieren a la lámina de cobre de 1 oz / pie ² como que tiene un espesor de 35 μm (también puede denominarse 35 μ, 35 micrones o 35 micrones ).

• 1/0: denota 1 oz / pie ^{2 de} cobre en un lado, sin cobre en el otro lado.
• 1/1: indica 1 oz / pie ^{2 de} cobre en ambos lados.
• H / 0 o H / H: indica 0,5 oz / pie ^{2 de} cobre en uno o ambos lados, respectivamente.
• 2/0 o 2/2: indica 2 oz / pie ^{2 de} cobre en uno o ambos lados, respectivamente.

Certificación de seguridad (EE. UU.)

El estándar de seguridad UL 796 cubre los requisitos de seguridad de los componentes para las placas de cableado impresas para su uso como componentes en dispositivos o electrodomésticos. Las pruebas analizan características como la inflamabilidad, la temperatura máxima de funcionamiento , el seguimiento eléctrico, la deflexión del calor y el soporte directo de piezas eléctricas vivas.

Diseño

Una tabla diseñada en 1967; las curvas de barrido en las trazas son evidencia de un diseño a mano alzada utilizando cinta adhesiva

Inicialmente, los PCB se diseñaron manualmente creando una fotomáscara en una hoja de mylar transparente, generalmente de dos o cuatro veces el tamaño real. A partir del diagrama esquemático, las almohadillas de los pines de los componentes se colocaron en el mylar y luego se enrutaron las trazas para conectar las almohadillas. Las transferencias secas de frotamiento de huellas de componentes comunes aumentaron la eficiencia. Los trazos se realizaron con cinta autoadhesiva. Cuadrículas preimpresas que no se reproducen en el mylar ayudado en el diseño. La fotomáscara acabada se reprodujo fotolitográficamente sobre un revestimiento fotorresistente en los tableros revestidos de cobre en blanco.

Los PCB modernos se diseñan con un software de diseño dedicado, generalmente en los siguientes pasos: ^[18]

1. Captura esquemática a través de una herramienta de automatización de diseño electrónico ( EDA ).
2. Las dimensiones y la plantilla de la tarjeta se deciden en función de los circuitos necesarios y la carcasa de la PCB.
3. Se determinan las posiciones de los componentes y los disipadores de calor .
4. Se decide la pila de capas de la PCB, con una a decenas de capas dependiendo de la complejidad. Se deciden los planos de tierra y de potencia . Un plano de potencia es la contraparte de un plano de tierra y se comporta como una señal de tierra de CA mientras proporciona energía de CC a los circuitos montados en la PCB. Las interconexiones de señales se trazan en planos de señales. Los planos de señal pueden estar tanto en la capa exterior como en la interior. Para un rendimiento óptimo de EMI , las señales de alta frecuencia se enrutan en capas internas entre los planos de potencia o de tierra. ^[19]
5. La impedancia de línea se determina utilizando el espesor de la capa dieléctrica, el espesor del cobre de enrutamiento y el ancho de la traza. La separación de trazas también se tiene en cuenta en el caso de señales diferenciales. Se pueden utilizar microstrip , stripline o dual stripline para enrutar señales.
6. Se colocan los componentes. Se tienen en cuenta las consideraciones térmicas y la geometría. Las vías y los terrenos están marcados.
7. Los rastros de señal se enrutan . Las herramientas de automatización de diseño electrónico generalmente crean espacios libres y conexiones en los planos de potencia y tierra de forma automática.
8. Los archivos Gerber se generan para la fabricación.

Fabricación

La fabricación de PCB consta de muchos pasos.

PCB CAM

La fabricación comienza con los datos de fabricación generados por el diseño asistido por computadora y la información de los componentes. Los datos de fabricación se leen en el software CAM (Fabricación asistida por ordenador). CAM realiza las siguientes funciones:

1. Entrada de los datos de fabricación.
2. Verificación de los datos
3. Compensación por desviaciones en los procesos de fabricación (por ejemplo, escalado para compensar las distorsiones durante el laminado)
4. Panelización
5. Salida de las herramientas digitales (patrones de cobre, archivos de perforación, inspección y otros)

Panelización

Se pueden agrupar varias placas de circuito impreso pequeñas para procesarlas como un panel. Un panel que consta de un diseño duplicado n veces también se denomina n -panel , mientras que un panel múltiple combina varios diseños diferentes en un solo panel. La tira de herramientas exterior a menudo incluye orificios de herramientas , un conjunto de fiduciales de panel , un cupón de prueba y puede incluir un vertido de cobre rayado.o patrones similares para una distribución uniforme del cobre en todo el panel para evitar que se doble. Los ensambladores a menudo montan componentes en paneles en lugar de PCB individuales porque esto es eficiente. La colocación de paneles también puede ser necesaria para tableros con componentes colocados cerca de un borde del tablero porque, de lo contrario, el tablero no podría montarse durante el ensamblaje. La mayoría de los talleres de montaje requieren un área libre de al menos 10 mm alrededor del tablero.

El panel eventualmente se rompe en PCB individuales a lo largo de perforaciones o ranuras en el panel ^[20] mediante fresado o corte. Para paneles fresados, una distancia común entre los paneles individuales es de 2 a 3 mm. Hoy en día, el despanel se realiza a menudo mediante láseres que cortan la placa sin contacto. El despanelado láser reduce la tensión en los frágiles circuitos, mejorando el rendimiento de las unidades sin defectos.

Patrones de cobre

El primer paso es replicar el patrón en el sistema CAM del fabricante en una máscara protectora en las capas de PCB de lámina de cobre. El grabado posterior elimina el cobre no deseado que no está protegido por la máscara. (Alternativamente, se puede inyectar tinta conductora en una placa en blanco (no conductora). Esta técnica también se utiliza en la fabricación de circuitos híbridos ).

1. La serigrafía utiliza tintas resistentes al grabado para crear la máscara protectora.
2. El fotograbado utiliza una fotomáscara y un revelador para eliminar selectivamente una capa fotorresistente sensible a los rayos UV y así crear una máscara fotorresistente que protegerá el cobre debajo de ella. En ocasiones, se utilizan técnicas de imágenes directas para requisitos de alta resolución. Se han realizado experimentos con termorresistencia. ^[21] Se puede utilizar un láser en lugar de una fotomáscara. Esto se conoce como litografía sin máscara o imágenes directas.
3. El fresado de PCB utiliza un sistema de fresado mecánico de dos o tres ejes para eliminar la lámina de cobre del sustrato. Una fresadora de PCB (conocida como 'PCB Prototyper') funciona de manera similar a un trazador , recibiendo comandos del software host que controlan la posición del cabezal de fresado en los ejes x, y, y (si es relevante) z .
4. Ablación resistente al láser Rocíe pintura negra sobre un laminado revestido de cobre y colóquelo en un trazador láser CNC . El láser escanea la PCB y elimina (vaporiza) la pintura donde no se desea resistencia. (Nota: la ablación de cobre con láser se usa raramente y se considera experimental. ^{[ Aclaración necesaria ]} )
5. Grabado con láser El cobre puede eliminarse directamente mediante un láser CNC. Al igual que el fresado de PCB anterior, este se utiliza principalmente para la creación de prototipos.

El método elegido depende del número de placas a producir y de la resolución requerida.

Gran volumen

• Serigrafía: se utiliza para PCB con características más grandes.
• Fotograbado: se utiliza cuando se requieren características más finas

Pequeño volumen

• Imprima en una película transparente y utilícela como máscara fotográfica junto con pizarrones fotosensibilizados, luego grabe. (Alternativamente, use un fotoplotter de película)
• Ablación resistente al láser
• Fresado de PCB
• Grabado láser

Aficionado

• Resistente impreso con láser: imprima con láser en papel de transferencia de tóner, transfiera el calor con una plancha o un laminador modificado sobre un laminado desnudo, sumerja en un baño de agua, retoque con un marcador y luego grabe.
• Película de vinilo y resistente, marcador no lavable, algunos otros métodos. Requiere mucha mano de obra, solo apto para tablas individuales.

Procesos sustractivos, aditivos y semi-aditivos

Los dos métodos de procesamiento utilizados para producir un PWB de doble cara con orificios pasantes chapados

Los métodos sustractivos eliminan el cobre de una placa completamente recubierta de cobre para dejar solo el patrón de cobre deseado. En los métodos aditivos, el patrón se galvaniza sobre un sustrato desnudo mediante un proceso complejo. La ventaja del método aditivo es que se necesita menos material y se producen menos residuos. En el proceso de aditivo completo, el laminado desnudo se cubre con una película fotosensible que se forma una imagen (se expone a la luz a través de una máscara y luego se revela, lo que elimina la película no expuesta). Las áreas expuestas se sensibilizan en un baño químico, que generalmente contiene paladio y es similar al que se usa para el enchapado de orificios pasantes, lo que hace que el área expuesta sea capaz de unir iones metálicos. Luego, el laminado se recubre con cobre en las áreas sensibilizadas. Cuando se quita la máscara, la PCB está terminada.

El semi-aditivo es el proceso más común: el tablero sin patrón ya tiene una capa delgada de cobre. Luego se aplica una máscara inversa. (A diferencia de una máscara de proceso sustractivo, esta máscara expone aquellas partes del sustrato que eventualmente se convertirán en los rastros). Luego se recubre la placa con cobre adicional en las áreas sin máscara; el cobre se puede recubrir con cualquier peso deseado. A continuación, se aplican revestimientos de estaño-plomo u otros revestimientos superficiales. La máscara se quita y un breve paso de grabado quita el laminado de cobre original desnudo ahora expuesto del tablero, aislando los rastros individuales. Algunas tablas de una cara que tienen orificios pasantes enchapados se fabrican de esta manera. General Electric fabricó aparatos de radio de consumo a fines de la década de 1960 utilizando tableros aditivos.

El proceso (semi) aditivo se usa comúnmente para tableros multicapa ya que facilita el enchapado a través de los orificios para producir vías conductoras en el tablero de circuito.

PCB en proceso de tener un patrón de cobre plateado (tenga en cuenta la resistencia de película seca azul)

Grabado químico

El grabado químico se realiza generalmente con persulfato de amonio o cloruro férrico . Para PTH (orificios pasantes enchapados), se realizan pasos adicionales de deposición no electrolítica después de perforar los orificios, luego se galvaniza el cobre para aumentar el grosor, las placas se protegen y se recubren con estaño / plomo. El estaño / plomo se convierte en la capa protectora dejando que el cobre desnudo sea grabado. ^[22]

El método más simple, utilizado para la producción a pequeña escala y, a menudo, por aficionados, es el grabado por inmersión, en el que la placa se sumerge en una solución de grabado como el cloruro férrico. En comparación con los métodos utilizados para la producción en masa, el tiempo de grabado es largo. Se puede aplicar calor y agitación al baño para acelerar la velocidad de grabado. En el grabado con burbujas, el aire pasa a través del baño de grabado para agitar la solución y acelerar el grabado. El grabado de salpicaduras utiliza una paleta accionada por motor para salpicar las tablas con grabador; el proceso se ha vuelto comercialmente obsoleto ya que no es tan rápido como el grabado por aspersión. En el grabado por pulverización, la solución de grabado se distribuye sobre las placas mediante boquillas y se recircula mediante bombas. El ajuste del patrón de la boquilla, la tasa de flujo, la temperatura y la composición del grabador proporciona un control predecible de las tasas de grabado y altas tasas de producción.^[23]

A medida que se consume más cobre de las placas, el grabador se satura y es menos eficaz; diferentes agentes decapantes tienen diferentes capacidades para el cobre, algunos de hasta 150 gramos de cobre por litro de solución. En el uso comercial, los agentes decapantes se pueden regenerar para restaurar su actividad, y el cobre disuelto se puede recuperar y vender. El grabado a pequeña escala requiere prestar atención a la eliminación del grabador usado, que es corrosivo y tóxico debido a su contenido de metal. ^[24]

El grabador elimina el cobre en todas las superficies no protegidas por la capa protectora. El "corte" ocurre cuando el grabador ataca el borde delgado de cobre debajo de la capa protectora; esto puede reducir el ancho de los conductores y provocar circuitos abiertos. Se requiere un control cuidadoso del tiempo de grabado para evitar cortes. Cuando se utiliza revestimiento metálico como resistencia, puede "sobresalir", lo que puede provocar cortocircuitos entre trazas adyacentes cuando están poco espaciados. El saliente se puede quitar cepillando la tabla con un cepillo de alambre después del grabado. ^[23]

Laminación

Corta un módulo SDRAM, una PCB de varias capas. Tenga en cuenta la vía , visible como una banda de color cobre brillante que se extiende entre las capas superior e inferior del tablero.

Las placas de circuito impreso multicapa tienen capas de traza dentro de la placa. Esto se logra laminando una pila de materiales en una prensa aplicando presión y calor durante un período de tiempo. Esto da como resultado un producto de una pieza inseparable. Por ejemplo, se puede fabricar una PCB de cuatro capas partiendo de un laminado revestido de cobre de dos caras, grabar el circuito en ambos lados y luego laminar en la parte superior e inferior de preimpregnado y lámina de cobre. Luego se perfora, se platea y se graba nuevamente para obtener trazas en las capas superior e inferior. ^[25]

Las capas internas se someten a una inspección completa de la máquina antes de la laminación porque los errores no se pueden corregir después. Las máquinas de inspección óptica automática (AOI) comparan una imagen del tablero con la imagen digital generada a partir de los datos del diseño original. Las máquinas de conformación óptica automatizada (AOS) pueden agregar el cobre faltante o eliminar el exceso de cobre con un láser, lo que reduce la cantidad de PCB que deben descartarse. ^{[26] Las} pistas de PCB pueden tener un ancho de solo 10 micrómetros.

Perforación

Ojales (huecos)

Los orificios a través de una placa de circuito impreso generalmente se perforan con brocas hechas de carburo de tungsteno con recubrimiento sólido . Se utiliza carburo de tungsteno revestido porque los materiales de la placa son abrasivos. Las brocas de acero de alta velocidad se desafilarían rápidamente, rompiendo el cobre y arruinando el tablero. La perforación se realiza mediante máquinas perforadoras controladas por computadora, utilizando un archivo de perforación o un archivo Excellon que describe la ubicación y el tamaño de cada agujero perforado.

Los orificios se pueden hacer conductores, mediante galvanoplastia o insertando ojales metálicos huecos, para conectar capas de tablero. Algunos orificios conductores están destinados a la inserción de cables de componentes de orificios pasantes. Otros, que se utilizan para conectar capas de placa, se denominan vías .

Cuando se requieren vías con un diámetro menor a 76,2 micrómetros, la perforación con brocas mecánicas es imposible debido a las altas tasas de desgaste y rotura. En este caso, las vías pueden perforarse con láser, evaporarse mediante láser . Las vías perforadas con láser suelen tener un acabado de superficie inferior dentro del orificio. Estos orificios se denominan microvías y pueden tener diámetros tan pequeños como 10 micrómetros. ^{[27] [28]} También es posible con perforación de profundidad controlada, perforación con láser o perforando previamente las hojas individuales de la PCB antes de la laminación, para producir agujeros que conectan solo algunas de las capas de cobre, en lugar de pasar a través de la tablero entero. Estos agujeros se llaman vías ciegas.cuando conectan una capa interna de cobre a una capa externa, o vías enterradas cuando conectan dos o más capas internas de cobre y ninguna capa externa. Las máquinas de perforación láser pueden perforar miles de orificios por segundo y pueden usar UV o CO
2láseres. ^{[29] [30]}

Las paredes de los orificios para tableros con dos o más capas pueden hacerse conductoras y luego galvanizarse con cobre para formar orificios pasantes enchapados . Estos orificios conectan eléctricamente las capas conductoras de la PCB. Para tableros multicapa, aquellos con tres capas o más, la perforación produce típicamente una mancha de los productos de descomposición a alta temperatura del agente de unión en el sistema laminado. Antes de que los orificios puedan enchaparse, esta mancha debe eliminarse mediante un proceso químico de eliminación de manchas o mediante grabado con plasma.. El proceso de eliminación de manchas garantiza que se realice una buena conexión con las capas de cobre cuando se enchapa el orificio. En tableros de alta confiabilidad, un proceso llamado grabado posterior se realiza químicamente con un grabador a base de permanganato de potasio o grabado con plasma. El grabado elimina la resina y las fibras de vidrio de modo que las capas de cobre se extienden dentro del orificio y, a medida que el orificio se platea, se vuelven integrales con el cobre depositado.

Revestimiento y revestimiento

La selección adecuada del revestimiento o del acabado de la superficie puede ser fundamental para el rendimiento del proceso, la cantidad de retrabajo, la tasa de fallas en el campo y la confiabilidad. ^[31]

Los PCB se pueden recubrir con soldadura, estaño u oro sobre níquel. ^{[32] [33]}

Después de grabar los PCB y luego enjuagarlos con agua, se aplica la máscara de soldadura y luego el cobre expuesto se recubre con soldadura, níquel / oro o algún otro recubrimiento anticorrosión. ^[34]

La soldadura mate generalmente se fusiona para proporcionar una mejor superficie de unión para el cobre desnudo. Los tratamientos, como el bencimidazolotiol , previenen la oxidación superficial del cobre desnudo. Los lugares en los que se montarán los componentes suelen estar enchapados, porque el cobre desnudo sin tratar se oxida rápidamente y, por lo tanto, no se puede soldar fácilmente. Tradicionalmente, cualquier cobre expuesto se cubría con soldadura mediante nivelación de aire caliente (soldadura) (HASL también conocido como HAL). El acabado HASL evita la oxidación del cobre subyacente, garantizando así una superficie soldable. Esta soldadura era una aleación de estaño y plomo ; sin embargo, ahora se utilizan nuevos compuestos de soldadura para lograr el cumplimiento de la directiva RoHS en la UE., que restringe el uso de plomo. Uno de estos compuestos sin plomo es el SN100CL, compuesto por 99,3% de estaño, 0,7% de cobre, 0,05% de níquel y un valor nominal de 60 ppm de germanio. ^{[ cita requerida ]}

Es importante utilizar soldadura compatible tanto con la PCB como con las piezas utilizadas. Un ejemplo es la matriz de rejilla de bolas (BGA) que usa bolas de soldadura de estaño y plomo para conexiones que pierden sus bolas en trazas de cobre desnudo o que usan pasta de soldadura sin plomo.

Otros revestimientos utilizados son conservante de soldabilidad orgánico (OSP), plata de inmersión (IAg), estaño de inmersión (ISn), revestimiento de oro de inmersión de níquel no electrolítico (ENIG), oro de inmersión de paladio no electrolítico de níquel no electrolítico (ENEPIG) y chapado de oro directo (sobre níquel) . Los conectores de borde , colocados a lo largo de un borde de algunas placas, a menudo están niquelados y luego dorados con ENIG. Otra consideración de revestimiento es la rápida difusión del metal de revestimiento en la soldadura de estaño. El estaño forma compuestos intermetálicos como Cu ₆ Sn ₅ y Ag ₃Cu que se disuelve en el Tin liquidus o solidus (a 50 ° C), quitando el revestimiento de la superficie o dejando huecos.

La migración electroquímica (ECM) es el crecimiento de filamentos metálicos conductores en una placa de circuito impreso (PCB) bajo la influencia de una polarización de voltaje de CC. ^{[35] [36]} Se sabe que la plata, el zinc y el aluminio producen bigotes bajo la influencia de un campo eléctrico. La plata también crece conduciendo caminos superficiales en presencia de haluros y otros iones, lo que la convierte en una mala elección para el uso de dispositivos electrónicos. Al estaño le crecerán "bigotes" debido a la tensión en la superficie chapada. El estaño-plomo o el baño de soldadura también hacen crecer los bigotes, solo se reducen al reducir el porcentaje de estaño. El reflujo para fundir la soldadura o la placa de estaño para aliviar el estrés de la superficie reduce la incidencia de bigotes. Otro problema del recubrimiento es la plaga del estaño , la transformación del estaño en un alótropo pulverulento a baja temperatura.^[37]

Aplicación de resistencia a la soldadura

Las áreas que no deben soldarse pueden cubrirse con soldadura resistente (máscara de soldadura). La máscara de soldadura es lo que da a los PCB su característico color verde, aunque también está disponible en varios otros colores, como rojo, azul, violeta, amarillo, negro y blanco. Una de las resistencias de soldadura más comunes que se utilizan en la actualidad se llama "LPI" ( máscara de soldadura líquida con fotoimagen ). ^[38]  Se aplica un recubrimiento fotosensible a la superficie del PWB, luego se expone a la luz a través de la película de imagen de la máscara de soldadura y finalmente se revela donde las áreas no expuestas se eliminan por lavado. La máscara de soldadura de película seca es similar a la película seca que se utiliza para obtener imágenes del PWB para enchapado o grabado. Después de laminado a la superficie PWB, se crea una imagen y se revela como LPI. Una vez, pero que ya no se usa comúnmente, debido a su baja precisión y resolución, es para serigrafiar tinta epoxi. Además de repeler la soldadura, la resistencia de soldadura también brinda protección del medio ambiente al cobre que de otro modo estaría expuesto.

Impresión de leyenda

A menudo se imprime una leyenda en uno o ambos lados de la PCB. Contiene los designadores de componentes , configuraciones de interruptores, puntos de prueba y otras indicaciones útiles para ensamblar, probar, reparar y, a veces, usar la placa de circuito.

Hay tres métodos para imprimir la leyenda.

1. La tinta epoxi para serigrafía fue el método establecido. Era tan común que a la leyenda a menudo se le llamaba erróneamente seda o serigrafía.
2. La imagen fotográfica líquida es un método más preciso que la serigrafía.
3. La impresión por chorro de tinta se utiliza cada vez más. La inyección de tinta puede imprimir datos variables, únicos para cada unidad PWB, como texto o un código de barras con un número de serie .

Prueba de tablero desnudo

Las placas que no tienen componentes instalados se prueban normalmente en placas desnudas para detectar "cortocircuitos" y "aperturas". Esto se llama prueba eléctrica o prueba electrónica de PCB . Un corto es una conexión entre dos puntos que no deben estar conectados. Un abierto es una conexión que falta entre los puntos que deben estar conectados. Para una producción de gran volumen, un accesorio como un "lecho de clavos" en un adaptador de aguja rígido hace contacto con las superficies de cobre del tablero. El accesorio o adaptador tiene un costo fijo significativo y este método solo es económico para producción de alto volumen o valor. Para sonda volante de producción de volumen pequeño o medianoLos probadores se utilizan cuando las sondas de prueba se mueven sobre la placa mediante un variador XY para hacer contacto con las superficies de cobre. No hay necesidad de un accesorio y, por lo tanto, los costos fijos son mucho más bajos. El sistema CAM indica al comprobador eléctrico que aplique un voltaje a cada punto de contacto según sea necesario y que verifique que este voltaje aparece en los puntos de contacto apropiados y solo en estos.

Montaje

PCB con almohadillas de conexión de prueba

En el montaje, la placa desnuda se llena (o "rellena") con componentes electrónicos para formar un conjunto de circuito impreso funcional (PCA), a veces llamado "conjunto de placa de circuito impreso" (PCBA). ^{[39] [40]} En la tecnología de orificios pasantes , los cables de los componentes se insertan en orificios rodeados de almohadillas conductoras ; los orificios mantienen los componentes en su lugar. En la tecnología de montaje en superficie (SMT), el componente se coloca en la PCB de modo que los pines se alineen con las almohadillas conductoras o las tierrasen las superficies de la PCB; la pasta de soldadura, que se aplicó previamente a las almohadillas, mantiene los componentes en su lugar temporalmente; Si se aplican componentes de montaje en superficie a ambos lados de la placa, los componentes de la parte inferior se pegan a la placa. Tanto en el orificio pasante como en el montaje en superficie, los componentes se sueldan a continuación ; una vez enfriada y solidificada, la soldadura mantiene los componentes en su lugar de forma permanente y los conecta eléctricamente a la placa.

Existe una variedad de técnicas de soldadura que se utilizan para unir componentes a una PCB. La producción de alto volumen generalmente se realiza con una máquina de pick-and-place y hornos de soldadura por ola o reflujo a granel , pero los técnicos capacitados pueden soldar a mano piezas muy pequeñas (por ejemplo, paquetes 0201 que son 0.02 in. Por 0.01 in.) ^{[ 41]} bajo un microscopio , utilizando pinzas y un soldador de punta fina , para prototipos de pequeño volumen. Se puede utilizar soldadura selectiva para piezas delicadas. Algunas piezas SMT no se pueden soldar a mano, como BGApaquetes. Todos los componentes de los orificios pasantes se pueden soldar a mano, lo que los hace preferidos para la creación de prototipos donde el tamaño, el peso y el uso de los componentes exactos que se utilizarían en la producción de alto volumen no son preocupaciones.

A menudo, la construcción de orificio pasante y de montaje en superficie debe combinarse en un solo ensamblaje porque algunos componentes requeridos están disponibles solo en paquetes de montaje en superficie, mientras que otros están disponibles solo en paquetes de orificio pasante. O, incluso si todos los componentes están disponibles en paquetes de orificios pasantes, es posible que desee aprovechar las reducciones de tamaño, peso y costo que se pueden obtener mediante el uso de algunos dispositivos de montaje en superficie disponibles. Otra razón para utilizar ambos métodos es que el montaje con orificio pasante puede proporcionar la resistencia necesaria para los componentes que probablemente soporten el estrés físico (como los conectores que con frecuencia se acoplan y se rompen o que se conectan a cables que se espera que impartan un estrés sustancial a la placa de circuito impreso y al conector). interfaz), mientras que los componentes que se espera que no se toquen ocuparán menos espacio utilizando técnicas de montaje en superficie.Para una comparación más detallada, consulte la página SMT .

Una vez que se ha llenado la placa, se puede probar de varias formas:

• Mientras la energía está apagada, inspección visual , inspección óptica automatizada . Las pautas de JEDEC para la colocación, soldadura e inspección de componentes de PCB se utilizan comúnmente para mantener el control de calidad en esta etapa de la fabricación de PCB.
• Mientras la energía está apagada, análisis de firmas analógicas , pruebas de apagado .
• Mientras la energía está encendida, prueba en circuito , donde se pueden realizar mediciones físicas (por ejemplo, voltaje).
• Mientras la energía está encendida, prueba de funcionamiento , simplemente verificando si la PCB hace lo que fue diseñada para hacer.

Para facilitar estas pruebas, los PCB pueden diseñarse con almohadillas adicionales para realizar conexiones temporales. A veces, estas almohadillas deben aislarse con resistencias. La prueba en circuito también puede ejercitar las características de prueba de escaneo de límites de algunos componentes. Los sistemas de prueba en circuito también se pueden usar para programar componentes de memoria no volátiles en la placa.

En las pruebas de escaneo de límites, los circuitos de prueba integrados en varios circuitos integrados en la placa forman conexiones temporales entre las pistas de la PCB para probar que los circuitos integrados están montados correctamente. Las pruebas de escaneo de límites requieren que todos los circuitos integrados que se probarán utilicen un procedimiento de configuración de prueba estándar, el más común es el estándar Joint Test Action Group ( JTAG ). La arquitectura de prueba JTAG proporciona un medio para probar las interconexiones entre circuitos integrados en una placa sin usar sondas de prueba físicas, mediante el uso de circuitos en los circuitos integrados para emplear los pines de los circuitos integrados como sondas de prueba. Los proveedores de herramientas JTAG proporcionan varios tipos de estímulos y algoritmos sofisticados, no solo para detectar las redes que fallan, sino también para aislar las fallas en redes, dispositivos y pines específicos.

Cuando las placas no pasan la prueba, los técnicos pueden desoldar y reemplazar los componentes defectuosos , una tarea conocida como reelaboración .

Protección y embalaje

Los PCB destinados a entornos extremos a menudo tienen un revestimiento de conformación , que se aplica por inmersión o pulverización después de que los componentes se han soldado. La capa evita la corrosión y las corrientes de fuga o cortocircuitos debido a la condensación. Las primeras capas conformadas fueron cera ; Las capas de conformación modernas suelen ser inmersiones de soluciones diluidas de caucho de silicona, poliuretano, acrílico o epoxi. Otra técnica para aplicar un revestimiento de conformación es pulverizar plástico sobre la PCB en una cámara de vacío. La principal desventaja de los revestimientos de conformación es que el mantenimiento del tablero se vuelve extremadamente difícil. ^[42]

Muchos PCB ensamblados son sensibles a la electricidad estática y, por lo tanto, deben colocarse en bolsas antiestáticas durante el transporte. Al manipular estas placas, el usuario debe estar conectado a tierra (a tierra). Las técnicas de manipulación inadecuadas pueden transmitir una carga estática acumulada a través de la placa, dañando o destruyendo componentes. Es posible que el daño no afecte inmediatamente al funcionamiento, pero podría provocar una falla temprana más adelante, causar fallas de funcionamiento intermitentes o causar una reducción del rango de condiciones ambientales y eléctricas bajo las cuales la placa funciona correctamente. Incluso las tablas desnudas son a veces sensibles a la electricidad estática: las huellas se han vuelto tan finas que es posible soplar una huella (o cambiar sus características) con una descarga estática. Esto es especialmente cierto en PCB no tradicionales como MCM y PCB de microondas.

Construcción de leña

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Un módulo de leña

La construcción de leña se utilizó en espoletas de proximidad .

La construcción de cordwood puede ahorrar un espacio significativo y a menudo se usaba con componentes con extremos de alambre en aplicaciones donde el espacio era escaso (como espoletas , guía de misiles y sistemas de telemetría) y en computadoras de alta velocidad , donde los trazos cortos eran importantes. En la construcción de leña, los componentes con conductores axiales se montaron entre dos planos paralelos. Los componentes se soldaron juntos con un cable de puente o se conectaron a otros componentes mediante una fina cinta de níquel soldada en ángulo recto a los cables del componente. ^[43]Para evitar acortar las diferentes capas de interconexión, se colocaron tarjetas aislantes delgadas entre ellas. Las perforaciones o agujeros en las tarjetas permitieron que los cables de los componentes se proyectaran a la siguiente capa de interconexión. Una desventaja de este sistema era que el níquel especialSe tuvieron que utilizar componentes con plomo para permitir la realización de soldaduras de interconexión fiables. La expansión térmica diferencial del componente podría ejercer presión sobre los cables de los componentes y las trazas de la PCB y causar daños mecánicos (como se vio en varios módulos del programa Apollo). Además, los componentes ubicados en el interior son difíciles de reemplazar. Algunas versiones de construcción de madera de cordón utilizaban PCBs soldadas de una cara como método de interconexión (como se muestra en la imagen), lo que permite el uso de componentes de plomo normal a costa de ser difícil quitar las placas o reemplazar cualquier componente que no esté en el borde.

Antes de la llegada de los circuitos integrados , este método permitía la mayor densidad de empaquetamiento de componentes posible; debido a esto, fue utilizado por varios proveedores de computadoras, incluido Control Data Corporation . El método de construcción de leña se usó solo en raras ocasiones una vez que los PCB se generalizaron, principalmente en la industria aeroespacial u otra electrónica de densidad extremadamente alta.

Tableros de cables múltiples

Multiwire es una técnica patentada de interconexión que utiliza cables aislados enrutados a máquina incrustados en una matriz no conductora (a menudo resina plástica). Se utilizó durante las décadas de 1980 y 1990. (Kollmorgen Technologies Corp, Patente de EE.UU. 4.175.816 presentada en 1978) En 2010, Multiwire todavía estaba disponible a través de Hitachi.

Dado que era bastante fácil apilar interconexiones (cables) dentro de la matriz de incrustación, el enfoque permitió a los diseñadores olvidarse por completo del enrutamiento de cables (generalmente una operación de diseño de PCB que requiere mucho tiempo): en cualquier lugar donde el diseñador necesite una conexión, la máquina dibuje un cable en línea recta de un lugar / alfiler a otro. Esto llevó a tiempos de diseño muy cortos (sin algoritmos complejos para usar incluso para diseños de alta densidad), así como a una diafonía reducida (que es peor cuando los cables corren paralelos entre sí, lo que casi nunca ocurre en Multiwire), aunque el costo es demasiado alto. para competir con tecnologías de PCB más baratas cuando se necesitan grandes cantidades.

Se pueden hacer correcciones a un diseño de placa de múltiples cables más fácilmente que a un diseño de PCB. ^[44]

Hay otras tecnologías competitivas de cableado discreto que se han desarrollado.

Historia

Antes del desarrollo de las placas de circuito impreso, los circuitos eléctricos y electrónicos se conectaban punto a punto en un chasis. Por lo general, el chasis era un marco o una bandeja de chapa, a veces con un fondo de madera. Los componentes se sujeto al chasis, por lo general por aisladores cuando el punto de conexión en el chasis era de metal, y luego sus cables estaban conectados directamente o con cables de puente por soldadura , o, a veces utilizando engarzado conectores, orejetas de conectadores de hilo en los terminales de tornillo, u otros métodos . Los circuitos eran grandes, voluminosos, pesados ​​y relativamente frágiles (incluso descontando las envolturas de vidrio rompibles de los tubos de vacío que a menudo se incluían en los circuitos) y la producción requería mucha mano de obra, por lo que los productos eran costosos.

El desarrollo de los métodos utilizados en las placas de circuito impreso modernas comenzó a principios del siglo XX. En 1903, un inventor alemán, Albert Hanson, describió conductores de láminas planas laminadas a una placa aislante, en múltiples capas. Thomas Edison experimentó con métodos químicos de recubrimiento de conductores sobre papel de lino en 1904. Arthur Berry en 1913 patentó un método de impresión y grabado en el Reino Unido, y en los Estados Unidos Max Schoop obtuvo una patente ^[45] para rociar metal con llama sobre un tablero a través de una máscara estampada. Charles Ducas en 1927 patentó un método de galvanoplastia de patrones de circuitos. ^[46]

El ingeniero austriaco Paul Eisler inventó el circuito impreso como parte de un aparato de radio mientras trabajaba en el Reino Unido alrededor de 1936. En 1941 se utilizó un circuito impreso multicapa en las minas navales de influencia magnética alemanas . Alrededor de 1943, EE. UU. Comenzó a utilizar la tecnología a gran escala para fabricar espoletas de proximidad para su uso en la Segunda Guerra Mundial. ^[46]

Espoleta de proximidad Mark 53 línea de producción 1944

Después de la guerra, en 1948, Estados Unidos lanzó la invención para uso comercial. Los circuitos impresos no se convirtieron en algo común en la electrónica de consumo hasta mediados de la década de 1950, después de que el ejército de los Estados Unidos desarrollara el proceso Auto-Sembly . Aproximadamente al mismo tiempo, en el Reino Unido, Geoffrey Dummer , entonces en el RRDE, llevó a cabo un trabajo similar .

Motorola fue uno de los primeros líderes en llevar el proceso a la electrónica de consumo, y en agosto de 1952 anunció la adopción de "circuitos enchapados" en las radios domésticas después de seis años de investigación y una inversión de $ 1 millón. ^[47] Motorola pronto comenzó a utilizar su término de marca registrada para el proceso, PLAcir, en sus anuncios de radio para consumidores. ^[48]

Incluso cuando las placas de circuitos estuvieron disponibles, el método de construcción de chasis punto a punto siguió siendo de uso común en la industria (como televisores y equipos de alta fidelidad) al menos hasta fines de la década de 1960. Las placas de circuito impreso se introdujeron para reducir el tamaño, el peso y el costo de las partes de los circuitos. En 1960, un pequeño receptor de radio de consumo podía construirse con todos sus circuitos en una placa de circuito, pero un televisor probablemente contendría una o más placas de circuito.

Un ejemplo de trazos grabados a mano en una placa de circuito impreso

Predando a la invención del circuito impreso, y similar en espíritu, fue el Equipo de Fabricación de Circuitos Electrónicos (ECME) de John Sargrove de 1936-1947, que roció metal sobre una placa de plástico de baquelita . La ECME podría producir tres placas de radio por minuto.

Durante la Segunda Guerra Mundial, el desarrollo del fusible de proximidad antiaéreo requirió un circuito electrónico que pudiera resistir el disparo de un arma y podría producirse en grandes cantidades. La División Centralab de Globe Union presentó una propuesta que cumplía con los requisitos: una placa de cerámica sería serigrafiada con pintura metálica para conductores y material de carbono para resistencias , con condensadores de disco de cerámica y tubos de vacío subminiatura soldados en su lugar. ^[49] La técnica demostró ser viable y la patente resultante del proceso, que fue clasificada por el Ejército de los Estados Unidos, fue asignada a Globe Union. No fue hasta 1984 que el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) otorgó a Harry W.Rubinstein elPremio Cledo Brunetti por las primeras contribuciones clave al desarrollo de componentes impresos y conductores sobre un sustrato aislante común. Rubinstein fue honrado en 1984 por su alma mater, la Universidad de Wisconsin-Madison , por sus innovaciones en la tecnología de circuitos electrónicos impresos y la fabricación de condensadores. ^{[50] [51]} Esta invención también representa un paso en el desarrollo de la tecnología de circuitos integrados , ya que no solo se fabricaron cables sino también componentes pasivos sobre el sustrato cerámico.

Un PCB como un diseño en una computadora (izquierda) y realizado como un conjunto de placa lleno de componentes (derecha). La placa es de doble cara, con revestimiento de orificio pasante, resistencia de soldadura verde y una leyenda blanca. Se han utilizado componentes de montaje en superficie y de orificio pasante.

Originalmente, cada componente electrónico tenía cables conductores y una PCB tenía agujeros perforados para cada cable de cada componente. Luego, los cables de los componentes se insertaron a través de los orificios y se soldaron a las pistas de cobre de la PCB. Este método de ensamblaje se denomina construcción de orificio pasante . En 1949, Moe Abramson y Stanislaus F. Danko del Cuerpo de Señales del Ejército de los Estados Unidos desarrollaron el proceso Auto-Sembly en el que los cables de los componentes se insertaron en un patrón de interconexión de lámina de cobre y se soldaron por inmersión . La patente que obtuvieron en 1956 fue cedida al Ejército de Estados Unidos. ^[52] Con el desarrollo de la laminación y el grabado de tablerostécnicas, este concepto evolucionó hasta convertirse en el proceso de fabricación de placas de circuito impreso estándar que se utiliza en la actualidad. La soldadura se puede hacer automáticamente pasando la placa sobre una ondulación u onda de soldadura fundida en una máquina de soldadura por ola . Sin embargo, los alambres y los orificios son ineficaces ya que perforar orificios es costoso y consume brocas y los alambres que sobresalen se cortan y desechan.

Desde la década de 1980 en adelante, se han utilizado cada vez más piezas pequeñas de montaje en superficie en lugar de componentes de orificios pasantes; esto ha llevado a tableros más pequeños para una funcionalidad dada y menores costos de producción, pero con algunas dificultades adicionales en el mantenimiento de tableros defectuosos.

En la década de 1990 se hizo más frecuente el uso de tableros de superficie multicapa. Como resultado, el tamaño se redujo aún más y se incorporaron PCB flexibles y rígidos en diferentes dispositivos. En 1995, los fabricantes de PCB comenzaron a utilizar la tecnología de microvías para producir PCB de interconexión de alta densidad (HDI). ^[53]

La tecnología HDI permite un diseño más denso en la PCB y componentes significativamente más pequeños. Como resultado, los componentes pueden estar más cerca y los caminos entre ellos más cortos. Los IDH utilizan vías ciegas / enterradas, o una combinación que incluye microvías. Con PCB HDI multicapa, la interconexión de vías apiladas es aún más fuerte, lo que mejora la confiabilidad en todas las condiciones. Las aplicaciones más comunes de la tecnología HDI son componentes de computadoras y teléfonos móviles, así como equipos médicos y equipos de comunicaciones militares. El costo de una placa de circuito impreso HDI microvia de 4 capas es equivalente en calidad a una placa de circuito impreso con orificio pasante de 8 capas. Sin embargo, el costo es mucho menor.

Los avances recientes en la impresión 3D han significado que existen varias técnicas nuevas en la creación de PCB. La electrónica impresa en 3D (PE) se puede utilizar para imprimir artículos capa por capa y, posteriormente, el artículo se puede imprimir con una tinta líquida que contiene funcionalidades electrónicas.

Es posible que los fabricantes no respalden la reparación de placas de circuito impreso a nivel de componente debido al costo relativamente bajo de reemplazar en comparación con el tiempo y el costo de resolución de problemas a nivel de componente. En la reparación a nivel de placa, el técnico identifica la placa (PCA) en la que reside la falla y la reemplaza. Este cambio es económicamente eficiente desde el punto de vista del fabricante, pero también es materialmente derrochador, ya que una placa de circuito con cientos de componentes funcionales puede desecharse y reemplazarse debido a la falla de una pieza menor y económica, como una resistencia o un condensador. Esta práctica contribuye de manera significativa al problema de los desechos electrónicos . ^[54]

Ver también

• Tablero de circuitos
• CID +
• Diseño para fabricabilidad (PCB)
• Embalaje electrónico
• Residuos electrónicos
• Microfónica
• Módulo multichip
• Proceso Occam : otro proceso para la fabricación de PCB
• Construcción punto a punto
• Electrónica impresa : creación de componentes mediante impresión
• Fresado de placa de circuito impreso
• Circuito electrónico impreso - nombre similar, parte diferente
• Placa de circuito estampada
• Stripboard
• Veroboard
• Cable enrrollado

Materiales de PCB

• Tinta conductora
• Materiales laminados :
  • BT-Epoxi
  • Material compuesto epoxi , CEM-1,5
  • Éster de cianato
  • FR-2
  • FR-4 , el material de PCB más común
  • Poliimida
  • PTFE , politetrafluoroetileno (teflón)

Software de diseño de PCB

• Lista de empresas EDA
• Comparación de software EDA

Referencias

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Enlaces externos

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• Datos de fabricación de PCB: una guía
• La especificación del formato Gerber