Placa de circuito impreso

PCB de un reproductor de DVD. Los PCB se pueden hacer en otros colores.

Parte de un tablero de computadora Sinclair ZX Spectrum de 1984, un PCB, mostrando los rastros conductivos, vias (los caminos de entrada a la otra superficie), y algunos componentes electrónicos montados mediante montaje de agujeros

Una placa de circuito impreso (PCB; también placa de cableado impreso o PWB) es un medio utilizado en ingeniería eléctrica y electrónica para conectar componentes electrónicos entre sí de forma controlada. Toma la forma de una estructura sándwich laminada de capas conductoras y aislantes: cada una de las capas conductoras está diseñada con un patrón artístico de trazos, planos y otras características (similares a cables en una superficie plana) grabados a partir de una o más capas de láminas de cobre laminado sobre y/o entre capas de láminas de un sustrato no conductor. Los componentes eléctricos pueden fijarse a almohadillas conductoras en las capas exteriores en la forma diseñada para aceptar los terminales del componente, generalmente mediante soldadura, tanto para conectarlos eléctricamente como mecánicamente. Otro proceso de fabricación agrega vías: orificios chapados que permiten interconexiones entre capas.

Las placas de circuito impreso se utilizan en casi todos los productos electrónicos. Las alternativas a las placas de circuito impreso incluyen la envoltura de alambre y la construcción punto a punto, que alguna vez fueron populares pero 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 automatización de diseño electrónico está disponible para hacer gran parte del trabajo de diseño. La producción masiva de circuitos con PCB es más económica y rápida que con otros métodos de cableado, ya que los componentes se montan y cablean en una sola operación. Se pueden fabricar grandes cantidades de PCB al mismo tiempo, y el diseño debe realizarse solo una vez. Los PCB también se pueden fabricar manualmente en pequeñas cantidades, con beneficios reducidos.

Los PCB pueden ser de un solo lado (una capa de cobre), de dos lados (dos capas de cobre en ambos lados de una capa de sustrato) o multicapa (capas de cobre externas e internas, alternando con capas de sustrato). Los PCB 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 superficial. Sin embargo, las placas de circuito impreso multicapa hacen que la reparación, el análisis y la modificación de 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 y se estima que alcance los 79 000 millones de dólares en 2024.

Historia

Predecesores

Un ejemplo de trazas cortadas a mano en un PCB

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 bandeja de chapa, a veces con un fondo de madera. Los componentes se unieron al chasis, generalmente mediante aisladores cuando el punto de conexión en el chasis era de metal, y luego sus cables se conectaron directamente o con cables de puente mediante soldadura o, a veces, mediante conectores de engarce, terminales de conector de cable en terminales de tornillo u otros métodos.. Los circuitos eran grandes, voluminosos, pesados y relativamente frágiles (incluso descontando las envolturas de vidrio rompible 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 caros.

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 hoja plana laminados a una placa aislante, en múltiples capas. Thomas Edison experimentó con métodos químicos para enchapar conductores en 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 [de] obtuvo una patente para rociar metal con llama sobre un tablero a través de una máscara estampada. Charles Ducas en 1925 patentó un método de galvanoplastia de patrones de circuitos.

Anterior a la invención del circuito impreso, y de espíritu similar, fue el Equipo de fabricación de circuitos electrónicos (ECME) de John Sargrove de 1936-1947, que rociaba metal sobre una placa de plástico de baquelita. El ECME podría producir tres placas de radio por minuto.

Primeros PCB

Fusil de proximidad Marca 53 línea de producción 1944

Un PCB como diseño en un ordenador (izquierda) y realizado como un conjunto de tableros poblado con componentes (derecha). La tabla es doble cara, con el revestimiento de agujeros, la soldadura verde resiste y una leyenda blanca. Se han utilizado componentes tanto de montaje superficial como de agujeros.

El ingeniero austríaco Paul Eisler inventó el circuito impreso como parte de un equipo de radio mientras trabajaba en el Reino Unido alrededor de 1936. En 1941, se utilizó un circuito impreso multicapa en las minas navales alemanas de influencia magnética.

Alrededor de 1943, EE. UU. comenzó a usar la tecnología a gran escala para fabricar espoletas de proximidad para usar en la Segunda Guerra Mundial. Tales espoletas requerían un circuito electrónico que pudiera resistir el disparo de un arma y pudiera producirse en cantidad. La División Centralab de Globe Union presentó una propuesta que cumplía con los requisitos: se serigrafiaría una placa de cerámica con pintura metálica para los conductores y material de carbono para las resistencias, con condensadores de disco de cerámica y tubos de vacío subminiatura soldados en el lugar. La técnica resultó viable y la patente resultante del proceso, que fue clasificada por el Ejército de los EE. UU., se asignó a Globe Union. No fue hasta 1984 que el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) otorgó a Harry W. Rubinstein el premio Cledo Brunetti por sus primeras contribuciones clave al desarrollo de componentes y conductores impresos 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. 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.

Desarrollos de posguerra

En 1948, EE. UU. lanzó la invención para uso comercial. Los circuitos impresos no se convirtieron en un lugar 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 de Auto-Sembly. Aproximadamente al mismo tiempo, en el Reino Unido, Geoffrey Dummer, entonces en 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 radios para el hogar después de seis años de investigación y una inversión de $1 millón. Motorola pronto comenzó a usar su término de marca registrada para el proceso, PLAcir, en sus anuncios de radio para consumidores. Hallicrafters lanzó su primer "foto-etch" producto de circuito impreso, un radio reloj, el 1 de noviembre de 1952.

Incluso cuando las placas de circuito estuvieron disponibles, el método de construcción de chasis de 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 del circuito. En 1960, un pequeño receptor de radio de consumo podría construirse con todos sus circuitos en una placa de circuito, pero un televisor probablemente contendría una o más placas de circuito.

Originalmente, cada componente electrónico tenía cables y una placa de circuito impreso tenía orificios 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 placa de circuito impreso. 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 de ensamblaje automático en el que los cables de los componentes se insertaban en un patrón de interconexión de lámina de cobre y se soldaban por inmersión. La patente que obtuvieron en 1956 fue asignada al ejército de los EE. UU. Con el desarrollo de las técnicas de grabado y laminación de placas, este concepto evolucionó hasta convertirse en el proceso estándar de fabricación de placas de circuito impreso que se utiliza en la actualidad. La soldadura se puede realizar automáticamente pasando la placa sobre una ondulación u ola de soldadura fundida en una máquina de soldadura por ola. Sin embargo, los alambres y los agujeros son ineficaces ya que perforar agujeros 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 orificio pasante; esto ha llevado a tableros más pequeños para una funcionalidad dada y costos de producción más bajos, pero con alguna dificultad adicional en el mantenimiento de tableros defectuosos.

En la década de 1990, el uso de tableros de superficie multicapa se hizo más frecuente. Como resultado, el tamaño se minimizó aún más y se incorporaron PCB flexibles y rígidas 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).

Avances recientes

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.

La tecnología HDI (interconexión de alta densidad) permite un diseño más denso en la PCB y, por lo tanto, PCB potencialmente más pequeñas con más trazas y/o componentes en un área determinada. Como resultado, las rutas entre los componentes pueden ser más cortas. Los HDI usan vías ciegas/enterradas, o una combinación que incluye microvías. Con PCB HDI multicapa, la interconexión de varias vías apiladas una encima de otra (vías apiladas, en lugar de una vía enterrada en profundidad) se puede fortalecer, mejorando así la confiabilidad en todas las condiciones. Las aplicaciones más comunes de la tecnología HDI son los componentes de computadoras y teléfonos móviles, así como equipos médicos y equipos de comunicación militar. Una PCB microvía HDI de 4 capas es equivalente en calidad a una PCB de orificio pasante de 8 capas, por lo que la tecnología HDI puede reducir los costos.

Composición

Una PCB básica consta de una lámina 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 trazas de circuito, almohadillas para conexiones, vías para pasar conexiones entre capas de cobre y características tales como áreas conductoras sólidas para protección electromagnética u otros fines. Las pistas funcionan como cables fijos en su lugar y están aisladas 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 el cobre de la corrosión y reduce las posibilidades de cortocircuitos de soldadura entre las trazas o contacto eléctrico no deseado con cables pelados perdidos. Por su función de ayudar a prevenir los cortocircuitos de soldadura, el recubrimiento se denomina resistencia de soldadura o máscara de soldadura.

El patrón que se grabará en cada capa de cobre de una placa de circuito impreso se denomina "obra de arte". El grabado generalmente se realiza con fotorresistencia que se recubre en la PCB y luego se expone a la luz proyectada en el patrón de la obra de arte. El material resistente protege el cobre de la disolución en la solución de grabado. A continuación, se limpia la placa grabada. 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.

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 canela o marrón.

Cuando una placa de circuito impreso no tiene componentes instalados, se denomina menos ambiguamente placa de cableado impresa (PWB) o placa de cableado grabada. Sin embargo, el término "placa de cableado impresa" ha caído en desuso. Una PCB llena de componentes electrónicos se denomina ensamblaje de circuito impreso (PCA), ensamblaje de placa de circuito impreso o ensamblaje de PCB (PCBA). En uso informal, el término "placa de circuito impreso" más comúnmente significa "conjunto de circuito impreso" (con componentes). El término preferido de IPC para una placa ensamblada es ensamblaje de tarjeta de circuito (CCA), y para un backplane ensamblado es ensamblaje de backplane. "Tarjeta" es otro término informal ampliamente utilizado para un "ensamblaje de circuito impreso". Por ejemplo, tarjeta de expansión.

Se puede imprimir una placa de circuito impreso con una leyenda que identifique los componentes, los puntos de prueba o el texto de identificación. Originalmente se utilizaba la serigrafía para este fin, pero hoy en día se suelen utilizar otros métodos de impresión de mayor calidad. Normalmente, la leyenda no afecta la función de una PCBA.

Capas

Una placa de circuito impreso puede tener múltiples capas de cobre que casi siempre están dispuestas en pares. El número de capas y la interconexión diseñada entre ellas (vías, PTHs) proporcionan una estimación general de la complejidad del tablero. El uso de más capas permite más opciones de enrutamiento y un mejor control de la integridad de la señal, pero también requiere mucho tiempo y es costoso de fabricar. Del mismo modo, la selección de las vías para la placa también permite el ajuste fino del tamaño de la placa, el escape de señales de circuitos integrados complejos, el enrutamiento y la confiabilidad a largo plazo, pero están estrechamente relacionados con la complejidad y el costo de producción.

Uno de los tableros más simples de producir es el tablero de dos capas. Tiene cobre en ambos lados que se denominan capas externas; tableros multicapa intercalan capas internas adicionales de cobre y aislamiento. Después de los PCB de dos capas, el siguiente paso es el de cuatro capas. La placa de cuatro capas agrega significativamente más opciones de enrutamiento en las capas internas en comparación con la placa de dos capas y, a menudo, una parte de las capas internas se usa como plano de tierra o plano de alimentación, para lograr una mejor integridad de la señal, frecuencias de señalización más altas, EMI más bajo., y mejor desacoplamiento de la fuente de alimentación.

En los tableros multicapa, las capas de material se laminan juntas en un sándwich alterno: cobre, sustrato, cobre, sustrato, cobre, etc.; cada plano de cobre se graba y cualquier vía interna (que no se extienda a ambas superficies exteriores de la placa multicapa terminada) se recubre 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.

Montaje de componentes

Resistencias contra agujeros (lípidos)

Dispositivos de agujeros montados en el tablero de circuitos de mediados de los años 80 Commodore 64 home computer

Una caja de brocas utilizadas para hacer agujeros en tableros de circuito impresos. Mientras que los bits de carburo de tungsteno son muy duros, eventualmente se agotan o se rompen. La perforación es una parte considerable del costo de una placa de circuito impreso a través de agujeros

Componentes de montaje superficial, incluyendo resistores, transistores y un circuito integrado

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

"Agujero pasante" los componentes se montan con los cables que pasan a través de la placa y se sueldan a las pistas del otro lado. "Montaje en superficie" los componentes están unidos por sus conductores a pistas de cobre en el mismo lado de la placa. Una placa puede usar ambos métodos para montar componentes. Los PCB con solo componentes montados en orificios pasantes ahora son poco comunes. El montaje en superficie se utiliza para transistores, diodos, circuitos integrados, resistencias y condensadores. El montaje de orificio pasante se puede usar para algunos componentes grandes, como condensadores electrolíticos y conectores.

Las primeras PCB usaban tecnología de orificios pasantes, montando componentes electrónicos mediante conductores insertados a través de orificios en un lado de la placa y soldados en pistas de cobre en el otro lado. Los tableros pueden ser de un solo lado, con un lado del componente sin enchapar, o tableros más compactos de dos lados, 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 del placa en direcciones opuestas para mejorar la resistencia mecánica de la pieza), soldando los cables y recortando los extremos. Los cables pueden soldarse manualmente o con una máquina de soldadura por ola. 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 las trazas de señal en las capas inmediatamente debajo de la capa superior en las placas multicapa, ya que los orificios deben pasar a través de todas las capas hasta la parte superior. lado opuesto. Una vez que se empezó a usar el montaje en superficie, se usaron componentes SMD de tamaño pequeño siempre que fue posible, con montaje de orificio pasante solo de componentes inadecuadamente grandes para montaje en superficie debido a requisitos de energía o limitaciones mecánicas, o sujetos a tensión mecánica que podría dañar la placa de circuito impreso. (por ejemplo, levantando el cobre de la superficie del tablero).

La tecnología de montaje en superficie surgió en la década de 1960, cobró impulso a principios de la década de 1980 y se volvió ampliamente utilizada a mediados de la década de 1990. Los componentes se rediseñaron mecánicamente para tener pequeñas pestañas de metal o tapas de extremo que se podían soldar directamente a la superficie de la placa de circuito impreso, en lugar de cables para pasar a través de los orificios. Los componentes se volvieron mucho más pequeños y la ubicación de los componentes en ambos lados de la placa se volvió más común que con el montaje de orificio pasante, 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 portadoras. Los componentes de montaje en superficie pueden tener entre un cuarto y una décima parte del tamaño y el peso de los componentes de orificio pasante, y los componentes pasivos son mucho más baratos. Sin embargo, los precios de los dispositivos de montaje en superficie (SMD) de semiconductores están determinados más por el chip en sí que por el paquete, con poca ventaja de precio sobre los paquetes más grandes, y algunos componentes con extremos de cable, como los diodos de conmutación de señal pequeña 1N4148, en realidad son significativamente más baratos. que los equivalentes SMD.

Propiedades eléctricas

Cada trazo consta de una parte plana y estrecha de la lámina de cobre que queda después del grabado. Su resistencia, determinada por su ancho, espesor y longitud, debe ser lo suficientemente baja para la corriente que transportará el conductor. Es posible que las trazas de alimentación y tierra deban ser más anchas que las trazas de señal. En una placa multicapa, 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 diseñar en forma plana, como tiras o microstrips, con dimensiones cuidadosamente controladas para asegurar una impedancia constante. En los circuitos de conmutación rápida y de radiofrecuencia, la inductancia y la capacitancia de los conductores de la placa de circuito impreso se convierten en elementos importantes del circuito, generalmente no deseados; por el contrario, se pueden usar como una parte deliberada del diseño del circuito, como en filtros, antenas y fusibles de elementos distribuidos, lo que evita 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.

Materiales

Laminados

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

El material de tela o fibra utilizado, el material de resina y la proporción de tela a resina determinan la designación de tipo del 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), la tangente de pérdida (tan δ), la resistencia a la tracción, la resistencia al corte, la temperatura de transición vítrea (T _g), y el coeficiente de expansión del eje Z (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 (Teflon), FR-4, FR-1, CEM-1 o CEM-3. Los materiales preimpregnados bien conocidos que se utilizan 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 (vidrio tejido y epoxi), CEM-5 (vidrio tejido y poliéster). La expansión térmica es una consideración importante, especialmente con la matriz de rejilla de bolas (BGA) y las tecnologías de matriz desnuda, y la fibra de vidrio ofrece la mejor estabilidad dimensional.

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

Con la disminución del tamaño de las características de la placa y el aumento de las frecuencias, las pequeñas faltas de homogeneidad, 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 fibras de vidrio tejidas, a veces no tejidas, 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 proporción de 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 analógicas/de RF.

Los sustratos se caracterizan por varios parámetros clave, principalmente termomecánicos (temperatura de transición vítrea, resistencia a la tracción, resistencia al corte, expansión térmica), eléctricos (constante dieléctrica, tangente de pérdida, tensión de ruptura dieléctrica, corriente de fuga, resistencia de seguimiento...), 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 T_g ejerce una sobrecarga mecánica en los componentes de la placa, p. las articulaciones y las vías. Por debajo de T_g, la expansión térmica de la resina coincide aproximadamente con el cobre y el vidrio, por encima se vuelve significativamente mayor. Como el refuerzo y el cobre confinan el tablero a lo largo del plano, prácticamente toda la expansión del volumen se proyecta al espesor y tensiona los orificios pasantes enchapados. La soldadura repetida u otras exposiciones a temperaturas más altas pueden causar fallas en el revestimiento, 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 distorsión de fase en las aplicaciones de banda ancha; Aquí es importante una constante dieléctrica plana frente a las características de frecuencia que se pueda lograr. 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 se puede someter el material antes de sufrir una ruptura (conducción o formación de arcos a través del dieléctrico).

La resistencia de seguimiento determina cómo resiste el material las descargas eléctricas de alto voltaje que se deslizan 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 las altas frecuencias. Los materiales de baja pérdida son más caros. Elegir 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 la tangente de pérdida y la constante dieléctrica se puede evaluar fácilmente mediante un patrón de ojo.

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 las fuerzas capilares a través de los huecos en los materiales ya lo largo del refuerzo. Los epoxis de los materiales FR-4 no son demasiado susceptibles, con una absorción de sólo el 0,15%. El teflón tiene una absorción muy baja de 0,01%. Las poliimidas y los ésteres de cianato, por otro lado, sufren una alta absorción de agua. El agua absorbida puede conducir a una degradación significativa de parámetros clave; perjudica la resistencia de seguimiento, el voltaje de ruptura y los parámetros dieléctricos. La constante dieléctrica relativa del agua es de aproximadamente 73, en comparación con aproximadamente 4 para los materiales de placa de circuito comunes. La humedad absorbida también puede vaporizarse con el calentamiento, como durante la soldadura, y causar grietas y deslaminación, el mismo efecto responsable del "popcorning" Daños en el embalaje húmedo de piezas electrónicas. Es posible que se requiera un horneado cuidadoso de los sustratos para secarlos antes de soldarlos.

Sustratos comunes

Materiales encontrados a menudo:

• FR-2, papel fenólico o papel de algodón fenólico, papel impregnado con una resina de formaldehído fenol. Común en electrónica de consumo con tableros unilaterales. Propiedades eléctricas inferiores a FR-4. Pobre resistencia al arco. Valoración general a 105 °C.
• FR-4, un paño de fibra de vidrio tejido impregnado de resina epoxi. Baja absorción de agua (hasta aproximadamente 0.15%), buenas propiedades de aislamiento, buena resistencia al arco. Muy común. Existen varios grados con propiedades algo diferentes. Típicamente puntuado a 130 °C.
• Aluminio o placa base de metal o sustrato metálico aislado (IMS), revestido con dieléctrico fino conductivo térmicamente - usado para piezas que requieren un enfriamiento significativo - interruptores de potencia, LEDs. Consiste en una sola placa de circuito delgado a veces doble capa basada, por ejemplo, en FR-4, laminada en chapa de aluminio, comúnmente 0.8, 1, 1,5, 2 o 3 mm de espesor. Los laminados más gruesos a veces también vienen con metalización de cobre más gruesa.
• Sustratos flexibles - puede ser una lámina de cobre independiente o puede laminarse a un rígido delgado, por ejemplo 50-130 μm
  • Kapton o UPILEX, una lámina de poliimido. Utilizado para circuitos impresos flexibles, en esta forma común en electrónica de consumo de pequeño factor de forma o para interconexiones flexibles. Resistente a altas temperaturas.
  • Piralux, una lámina compuesta de poliimido-fluoropolímero. La capa de cobre puede delaminarse durante la soldadura.

Materiales que se encuentran con menos frecuencia:

• FR-1, como FR-2, normalmente especificado a 105 °C, algunos grados valorados a 130 °C. Posibilidad de temperatura de la habitación. Similar a cartón. Pobre resistencia a la humedad. Baja resistencia al arco.
• FR-3, papel de algodón impregnado con epoxi. Típicamente puntuado a 105 °C.
• FR-5, fibra de vidrio tejida y epoxi, alta resistencia a temperaturas más altas, normalmente especificada a 170 °C.
• FR-6, vidrio mate y poliéster
• G-10, vidrio tejido y epoxi - alta resistencia al aislamiento, baja absorción de humedad, muy alta fuerza de unión. Típicamente puntuado a 130 °C.
• G-11, vidrio tejido y epoxi - alta resistencia a disolventes, alta retención de fuerza flexural a altas temperaturas. Típicamente puntuado a 170 °C.
• CEM-1, papel de algodón y epoxy
• CEM-2, papel de algodón y epoxi
• CEM-3, vidrio no tejido y epoxi
• CEM-4, vidrio tejido y epoxi
• CEM-5, vidrio tejido 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 utilizado en aplicaciones multicapa.
• PTFE, cerámica llena - costosa, baja pérdida dieléctrica, para aplicaciones de alta frecuencia. Varying ceramics/PTFE ratio permite ajustar constante y expansión térmica.
• RF-35, PTFE reforzado con fibra de vidrio. Relativamente menos costoso, buenas propiedades mecánicas, buenas propiedades de alta frecuencia.
• Alumina, una cerámica. Duro, frágil, muy caro, muy alto rendimiento, buena conductividad térmica.
• Polyimide, un polímero de alta temperatura. Expensivo, alto rendimiento. Aumenta la absorción de agua (0,4%). Se puede utilizar de temperaturas criogénicas a más de 260 °C.

Espesor de cobre

El grosor del cobre de los PCB se puede especificar directamente o como el peso del cobre por área (en onzas por pie cuadrado), que es más fácil de medir. Una onza por pie cuadrado es 1.344 mils o 34 micrómetros de espesor. El cobre pesado es una capa que supera las tres onzas de cobre por pie², o aproximadamente 0,0042 pulgadas (4,2 mils, 105 μm) de espesor. Las capas pesadas de cobre se utilizan para corriente alta o para ayudar a disipar el calor.

En los sustratos FR-4 comunes, 1 onza de cobre por pie² (35 µm) es el espesor más común; 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, 9 µm a veces está disponible en algunos sustratos. Los sustratos flexibles suelen tener una metalización más delgada. Las placas de núcleo metálico para dispositivos de alta potencia suelen utilizar cobre más grueso; 35 µm es lo habitual, pero también se pueden encontrar 140 y 400 µm.

En los EE. UU., el grosor de la lámina de cobre se especifica en unidades de onzas por pie cuadrado (oz/ft²), comúnmente denominado simplemente onza. Los espesores comunes son 1/2 oz/ft² (150 g/m²), 1 oz/ft² (300 g/m< sup>2), 2 oz/ft² (600 g/m²) y 3 oz/ft² (900 g/m2²). Estos tienen un grosor de 17,05 μm (0,67 mil), 34,1 μm (1,34 mil), 68,2 μm (2,68 mil) y 102,3 μm (4,02 mil), respectivamente.

La lámina de

1/2 oz/ft² no se usa mucho como peso de cobre acabado, pero se usa para las capas exteriores cuando el enchapado para orificios pasantes aumentará el peso de cobre acabado. Algunos fabricantes de PCB se refieren a Lámina de cobre de 1 oz/ft² con un grosor de 35 μm (también puede denominarse 35 μ, 35 micras o 35 mic).

• 1/0 – denota 1 oz/ft² cobre de un lado, sin cobre en el otro lado.
• 1/1 – denota 1 oz/ft² cobre en ambos lados.
• H/0 o H/H – denota 0,5 oz/ft² cobre en uno o ambos lados, respectivamente.
• 2/0 o 2/2 – denota 2 oz/ft² cobre en uno o ambos lados, respectivamente.

Construcción

Diseño

Una tabla diseñada en 1967; las curvas de barrido en los trazos son evidencia de diseño de mano libre mediante cinta adhesiva

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 computadora). CAM realiza las siguientes funciones:

1. Entrada de los datos de fabricación.
2. Verificación de los datos
3. Indemnización por desviaciones en los procesos de fabricación (por ejemplo, escalada para compensar las distorsiones durante la laminación)
4. Panelización
5. Producto de las herramientas digitales (patrones de cobre, archivos de perforación, inspección y otros)

Inicialmente, los PCB se diseñaron manualmente mediante la creación de una fotomáscara en una hoja de mylar transparente, generalmente de dos a 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 pistas para conectar las almohadillas. Las transferencias en seco por frotamiento de huellas de componentes comunes aumentaron la eficiencia. Los trazos se realizaron con cinta autoadhesiva. Cuadrículas preimpresas que no se reproducen en el diseño asistido de mylar. La fotomáscara terminada se reprodujo fotolitográficamente en un revestimiento fotorresistente sobre las placas revestidas de cobre en blanco.

Los PCB modernos se diseñan con software de diseño dedicado, generalmente en los siguientes pasos:

1. Captura esquemática a través de una automatización de diseño electrónico (EDA) herramienta.
2. Las dimensiones de la tarjeta y la plantilla se deciden sobre la base de los circuitos y recintos requeridos del PCB.
3. Se determinan las posiciones de los componentes y los sumideros de calor.
4. Se decide la pila de capas del PCB, con una a diez capas dependiendo de la complejidad. Los aviones terrestres y eléctricos se deciden. Un avión de energía es el contraparte a un plano de tierra y se comporta como un terreno de señal AC mientras que proporciona energía DC a los circuitos montados en el PCB. Las interconexiones de señales se rastrean en aviones de señalización. Los planos de señal pueden estar en las capas externas y internas. Para el rendimiento óptimo de EMI señales de alta frecuencia se enruzan en capas internas entre los planos de potencia o tierra.
5. La impedancia de la línea se determina utilizando el espesor de la capa dieléctrica, el espesor de cobre enrutante y el ancho de traza. También se tiene en cuenta la separación de rastros en caso de señales diferenciales. Microstrip, stripline o dual stripline se puede utilizar para la ruta de las señales.
6. Se colocan componentes. Se tienen en cuenta consideraciones térmicas y geometría. Vías y tierras están marcadas.
7. Los rastros de señal están enrutados. Las herramientas de automatización de diseño electrónico generalmente crean autorizaciones y conexiones en los planos eléctrico y terrestre automáticamente.
8. Los datos de la fabricación consisten en un conjunto de archivos Gerber, un archivo de taladro y un archivo pick-and-place.

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 panel n, mientras que un panel múltiple combina varios diseños diferentes en un panel único. La tira de herramientas exterior a menudo incluye orificios para herramientas, un conjunto de fiduciales de panel, un cupón de prueba y puede incluir colada de cobre sombreado 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 panelización 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 ensamblaje requieren un área libre de al menos 10 mm alrededor del tablero.

El panel finalmente se rompe en PCB individuales a lo largo de perforaciones o ranuras en el panel mediante fresado o corte. Para paneles fresados, una distancia común entre las tablas individuales es de 2 a 3 mm. Hoy en día, el despanelado suele realizarse con láseres que cortan el tablero sin contacto. El despanelado por láser reduce la tensión en los frágiles circuitos, mejorando el rendimiento de las unidades sin defectos.

Estampado de cobre

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

1. Serigrafía usa tintas resistentes al etch para crear la máscara protectora.
2. Grabado fotográfico usa una máscara de fotos y un desarrollador para eliminar selectivamente un recubrimiento fotoresista sensible a los rayos UV y crear así una máscara fotoresista que proteja el cobre debajo de él. Las técnicas de imagen directa se utilizan a veces para requisitos de alta resolución. Se han realizado experimentos con resistencia térmica. Un láser se puede utilizar en lugar de una fotomasca. Esto se conoce como litografía sin máscaras o imagen directa.
3. Moldeo PCB utiliza un sistema de fresado mecánico de dos o tres ejes para fresar la lámina de cobre del sustrato. Una máquina de fresado PCB (referido como un 'PCB Prototyper') opera de una manera similar a un plotter, recibiendo comandos del software host que controlan la posición de la cabeza de fresado en el eje x, y, y (si relevante) z.
4. Resistencia láser ablación Pulverizar pintura negra sobre laminado de cobre, colocar en el plotter láser CNC. El raster láser escoge el PCB y ablates (vaporiza) la pintura donde no se desea resistencia. (Nota: la ablación de cobre láser rara vez se utiliza y se considera experimental.)
5. Laser etching El cobre puede ser eliminado directamente por un láser CNC. Como la fresadora PCB por encima de esto se utiliza principalmente para prototipado.
6. EDM etching usa una descarga eléctrica para eliminar un metal de un sustrato sumergido en un líquido dieléctrico

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

Gran volumen

• Impresión de pantalla de seda – Utilizado para PCB con características más grandes
• Grabado de foto – Se utiliza cuando se requieren características más finas

Pequeño volumen

• Imprima sobre película transparente y utilizar como máscara de fotos junto con tablas foto-sensibilizadas, entonces etch. (Alternatively, use a film photoplotter)
• Resistencia láser ablación
• Moldeo PCB
• Laser etching

Hobbyist

• Resistencia impresa por láser: Papel de transferencia de láser sobre toner, transferencia de calor con un laminador de hierro o modificado sobre laminado desnudo, remojo en baño de agua, toque con un marcador, luego etch.
• Película de vinilo y resistencia, marcador no lavable, algunos otros métodos. Trabajo-intensivo, solo adecuado para tablas individuales.

Grabado

línea de cobre PCB en el proceso de chapado de cobre

PCBs en proceso de tener el patrón de cobre plateado (nota la película seca azul resiste

Los dos métodos de procesamiento utilizados para producir un PWB de doble cara con agujeros afilados

El proceso mediante el cual se aplican trazas de cobre a la superficie se conoce como grabado por el método sustractivo del proceso, aunque también existen métodos aditivos y semiaditivos.

Los métodos sustractivos eliminan el cobre de una placa completamente recubierta de cobre para dejar solo el patrón de cobre deseado. El método más simple, utilizado para la producción a pequeña escala y, a menudo, por aficionados, es el grabado por inmersión, en el que el tablero 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 tasa de grabado. En el grabado con burbujas, se pasa aire a través del baño de grabado para agitar la solución y acelerar el grabado. El grabado por salpicadura utiliza una paleta motorizada para salpicar tablas con grabador; el proceso se ha vuelto obsoleto comercialmente ya que no es tan rápido como el grabado por aspersión. En el grabado por aspersión, la solución de grabado se distribuye sobre los tableros mediante boquillas y se recircula mediante bombas. El ajuste del patrón de la boquilla, el caudal, la temperatura y la composición del grabador proporciona un control predecible de las tasas de grabado y las altas tasas de producción. A medida que se consume más cobre de las placas, el grabador se satura y se vuelve menos efectivo; diferentes grabadores tienen diferentes capacidades para el cobre, con algunos de hasta 150 gramos de cobre por litro de solución. En uso comercial, los grabadores se pueden regenerar para restaurar su actividad y el cobre disuelto se puede recuperar y vender. El grabado a pequeña escala requiere atención a la eliminación del grabador usado, que es corrosivo y tóxico debido a su contenido metálico. El grabador elimina el cobre en todas las superficies no protegidas por el protector. "Rebaje" ocurre cuando el grabador ataca el borde delgado del cobre debajo de la resistencia; esto puede reducir el ancho de los conductores y provocar circuitos abiertos. Se requiere un control cuidadoso del tiempo de grabado para evitar socavaduras. Cuando se utiliza un recubrimiento metálico como resistencia, puede "sobresalir" lo que puede causar cortocircuitos entre trazas adyacentes cuando están muy juntas. El voladizo se puede quitar cepillando con alambre el tablero después del grabado.

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 aditivo completo, el laminado desnudo se cubre con una película fotosensible de la 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 recubrimiento de agujeros 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 semiaditivo es el proceso más común: la placa sin patrón ya tiene una fina capa 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 las huellas). Luego se platea cobre adicional sobre el tablero en las áreas no enmascaradas; el cobre se puede enchapar a cualquier peso deseado. Luego se aplican recubrimientos superficiales de estaño-plomo u otros. La máscara se quita y un breve paso de grabado elimina el laminado de cobre original desnudo ahora expuesto del tablero, aislando las huellas individuales. Algunas tablas de una sola cara que tienen agujeros chapados se fabrican de esta manera. General Electric fabricó equipos de radio para el consumidor a fines de la década de 1960 utilizando tableros aditivos. El proceso (semi)aditivo se usa comúnmente para placas multicapa, ya que facilita el revestimiento de los orificios para producir vías conductoras en la placa de circuito.

El grabado industrial generalmente se realiza con persulfato de amonio o cloruro férrico. Para PTH (agujeros pasantes enchapados), se realizan pasos adicionales de deposición sin electricidad después de perforar los agujeros, luego se electrochapa el cobre para aumentar el espesor, las placas se tamizan y se enchapan con estaño/plomo. El estaño/plomo se convierte en la resistencia dejando el cobre desnudo para ser grabado.

Laminación

Cortar a través de un módulo SDRAM, un PCB multicapa (BGA montado). Observe la vía, visible como una banda brillante de color cobre que corre entre las capas superior e inferior de la tabla.

Las placas de circuito impreso multicapa tienen capas de trazas 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 sola pieza inseparable. Por ejemplo, se puede fabricar una placa de circuito impreso de cuatro capas comenzando con un laminado revestido de cobre de dos caras, grabar el circuito en ambos lados y luego laminar la parte superior e inferior con preimpregnado y lámina de cobre. Luego se perfora, se enchapa y se graba nuevamente para obtener rastros en las capas superior e inferior.

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 de la placa con la imagen digital generada a partir de los datos del diseño original. Las máquinas de modelado óptico automatizado (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. Las pistas de PCB pueden tener un ancho de solo 10 micrómetros.

Perforación

Ojos (hollow)

Los orificios a través de una PCB generalmente se perforan con brocas de carburo de tungsteno con recubrimiento sólido. Se utiliza carburo de tungsteno revestido porque los materiales de las placas son abrasivos. Las brocas de acero de alta velocidad se desafilarían rápidamente, rasgando 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 orificio perforado.

Los orificios se pueden hacer conductores mediante galvanoplastia o insertando ojales metálicos huecos para conectar las capas de la placa. Algunos orificios conductores están destinados a la inserción de cables de componente de orificio pasante. Otros que se utilizan para conectar las capas de la placa se denominan vías.

Cuando se requieren vías con un diámetro inferior 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 con láser. Las vías perforadas con láser suelen tener un acabado superficial inferior dentro del orificio. Estos orificios se denominan microvías y pueden tener diámetros tan pequeños como 10 micrómetros. También es posible con la perforación de profundidad controlada, la perforación con láser o la perforación previa de las hojas individuales de la PCB antes de la laminación, para producir orificios que conectan solo algunas de las capas de cobre, en lugar de atravesarlas. todo el tablero. Estos agujeros se denominan vías ciegas cuando conectan una capa interna de cobre con 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 agujeros por segundo y pueden usar láseres UV o CO₂.

Las paredes de los agujeros para tableros con dos o más capas se pueden hacer conductoras y luego galvanizar con cobre para formar agujeros pasantes. Estos agujeros conectan eléctricamente las capas conductoras de la PCB. Para tableros multicapa, aquellos con tres capas o más, la perforación generalmente produce una mancha de los productos de descomposición a alta temperatura del agente adhesivo en el sistema laminado. Antes de que los orificios puedan perforarse, esta mancha debe eliminarse mediante un proceso químico de-smear 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 recubre 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 para que las capas de cobre se extiendan hacia el orificio y, a medida que el orificio se recubre, se vuelven integrales con el cobre depositado.

Chapado y revestimiento

La selección adecuada del acabado superficial o del enchapado puede ser fundamental para el rendimiento del proceso, la cantidad de reelaboración, la tasa de fallas en el campo y la confiabilidad.

Los PCB pueden recubrirse con soldadura, estaño u oro sobre níquel.

Después de que los PCB se graben y luego se enjuaguen con agua, se aplica la máscara de soldadura y luego el cobre expuesto se recubre con soldadura, níquel/oro o algún otro recubrimiento anticorrosión.

La soldadura mate generalmente se fusiona para proporcionar una mejor superficie de unión para el cobre desnudo. Los tratamientos, como el bencimidazoltiol, 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 recubría 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 un 99,3 % de estaño, un 0,7 % de cobre, un 0,05 % de níquel y un valor nominal de 60 ppm de germanio.

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 pistas de cobre desnudas o que usan pasta de soldadura sin plomo.

Otros revestimientos utilizados son el conservante de soldabilidad orgánico (OSP), la plata de inmersión (IAg), el estaño de inmersión (ISn), el revestimiento de oro de inmersión de níquel sin electrolitos (ENIG), el oro de inmersión de paladio sin electrodos de níquel sin electrolitos (ENEPIG) y el chapado de oro directo (sobre níquel). Los conectores de borde, colocados a lo largo de un borde de algunas placas, suelen estar niquelados y luego dorados con ENIG. Otra consideración de recubrimiento es la rápida difusión del metal de recubrimiento en la soldadura de estaño. El estaño forma intermetálicos como Cu₆Sn₅ y Ag₃Cu que se disuelven en el estaño liquidus o solidus (a 50 °C), desprendiendo recubrimiento superficial o dejando huecos.

Migración electroquímica (ECM) es el crecimiento de filamentos metálicos conductores sobre o dentro de una placa de circuito impreso (PCB) bajo la influencia de una polarización de voltaje de CC. Se sabe que la plata, el zinc y el aluminio desarrollan bigotes bajo la influencia de un campo eléctrico. La plata también genera trayectorias superficiales conductoras en presencia de haluros y otros iones, lo que la convierte en una mala elección para uso en electrónica. Estaño crecerá "bigotes" debido a la tensión en la superficie plateada. El revestimiento de estaño-plomo o soldadura también produce bigotes, solo reducidos al reducir el porcentaje de estaño. El reflujo para derretir la soldadura o la hojalata para aliviar la tensión superficial reduce la incidencia de bigotes. Otro problema del recubrimiento es la plaga del estaño, la transformación del estaño en un alótropo en polvo a baja temperatura.

Aplicación de resistencia de soldadura

Las áreas que no deben soldarse pueden cubrirse con protector de soldadura (máscara de soldadura). La máscara de soldadura es la que le da a los PCB su característico color verde, aunque también está disponible en varios otros colores, como rojo, azul, morado, amarillo, negro y blanco. Una de las resistencias de soldadura más comunes que se usan hoy en día se llama "LPI" (máscara de soldadura líquida para imágenes fotográficas). 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. La máscara de soldadura de película seca es similar a la película seca que se usa para crear imágenes del PWB para enchapar o grabar. Después de ser laminado a la superficie PWB, se refleja y se revela como LPI. Una vez, pero ya no se usa comúnmente, debido a su baja precisión y resolución, es para serigrafiar tinta epoxi. Además de repeler la soldadura, la soldadura resistente también brinda protección contra el medio ambiente al cobre que, de lo contrario, estaría expuesto.

Leyenda / serigrafía

A menudo se imprime una leyenda (también conocida como silk o silkscreen) en uno o ambos lados de la PCB. Contiene los designadores de los componentes, la configuración de los interruptores, los 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 de impresión de seda fue el método establecido, dando lugar al nombre alternativo.
2. Imagen de foto líquida es un método más preciso que la impresión de pantalla.
3. La impresión de chorro de tinta se utiliza cada vez más. El jet de tinta puede imprimir datos variables, únicos en cada unidad PWB, como texto o código de barras con un número de serie.

Prueba a bordo desnuda

Las placas sin componentes instalados suelen probarse con la placa desnuda para detectar "cortos" y "abre". Esto se llama prueba eléctrica o prueba electrónica de PCB. Un corto es una conexión entre dos puntos que no deberían estar conectados. Un abierto es una conexión faltante entre puntos que deberían estar conectados. Para la producción de alto volumen, un dispositivo como una "cama de clavos" en un adaptador de aguja rígida hace contacto con las tierras de cobre en el tablero. El accesorio o adaptador es un costo fijo significativo y este método solo es económico para la producción de alto volumen o alto valor. Para la producción de volumen pequeño o mediano, se utilizan probadores de sonda voladora en los que las sondas de prueba se mueven sobre el tablero mediante una unidad XY para hacer contacto con las tierras de cobre. No hay necesidad de un accesorio y, por lo tanto, los costos fijos son mucho más bajos. El sistema CAM instruye al probador eléctrico para aplicar un voltaje a cada punto de contacto según sea necesario y verificar que este voltaje aparece en los puntos de contacto apropiados y solo en estos.

Montaje

PCB con almohadillas de conexión de prueba

En el ensamblaje, la placa desnuda se llena (o "rellena") con componentes electrónicos para formar un ensamblaje de circuito impreso (PCA) funcional, a veces llamado "impreso conjunto de placa de circuito & # 34; (PCBA). En la tecnología de orificio pasante, los cables de los componentes se insertan en orificios rodeados de almohadillas conductoras; los agujeros mantienen los componentes en su lugar. En la tecnología de montaje superficial (SMT), el componente se coloca en la placa de circuito impreso de modo que las clavijas se alineen con las almohadillas o tierras conductoras en las superficies de la placa de circuito impreso; la soldadura en pasta, que se aplicó previamente a las almohadillas, mantiene los componentes en su lugar temporalmente; si los componentes de montaje en superficie se aplican a ambos lados de la placa, los componentes del lado inferior se pegan a la placa. Tanto en el montaje de orificio pasante como en el de superficie, los componentes se sueldan; 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 placa de circuito impreso. La producción de alto volumen generalmente se realiza con una máquina de recoger y colocar y soldadura por ola a granel para piezas de orificio pasante u hornos de reflujo para componentes SMT y/o piezas de orificio pasante, pero los técnicos calificados pueden soldar a mano piezas muy pequeñas (por ejemplo, paquetes 0201 que miden 0,02 pulgadas por 0,01 pulgadas) bajo un microscopio, utilizando pinzas y un soldador de punta fina, para prototipos de pequeño volumen. La soldadura selectiva se puede utilizar para piezas delicadas. Algunas piezas SMT no se pueden soldar a mano, como los paquetes BGA. Todos los componentes de orificio pasante se pueden soldar a mano, lo que los hace ideales 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 montaje en superficie y de orificio pasante debe combinarse en un solo ensamblaje porque algunos componentes necesarios solo están disponibles en paquetes de montaje en superficie, mientras que otros solo están disponibles en paquetes de orificio pasante. O, incluso si todos los componentes están disponibles en paquetes de orificios pasantes, podría desearse aprovechar las reducciones de tamaño, peso y costos que se pueden obtener mediante el uso de algunos dispositivos de montaje en superficie disponibles. Otra razón para usar ambos métodos es que el montaje de orificio pasante puede proporcionar la resistencia necesaria para los componentes que probablemente soporten tensión física (como los conectores que se acoplan y desconectan con frecuencia o que se conectan a cables que se espera que ejerzan una tensión considerable en la placa de circuito impreso y el 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 de SMT.

Después de llenar el tablero, se puede probar de varias maneras:

• Mientras la potencia está apagada, inspección visual, inspección óptica automatizada. Las directrices JEDEC para la colocación, soldadura e inspección de componentes PCB se utilizan comúnmente para mantener el control de calidad en esta etapa de fabricación de PCB.
• Mientras el poder está apagado, análisis de firma analógica, pruebas de encendido.
• Mientras el poder está encendido, prueba en circuito, donde se pueden realizar mediciones físicas (por ejemplo, tensión).
• Mientras el poder está encendido, prueba funcional, sólo comprobar si el PCB hace lo que había sido diseñado para hacer.

Para facilitar estas pruebas, las PCB se pueden diseñar con almohadillas adicionales para realizar conexiones temporales. A veces, estos pads deben aislarse con resistencias. La prueba en circuito también puede ejercitar las funciones de prueba de exploración de límites de algunos componentes. Los sistemas de prueba en circuito también se pueden usar para programar componentes de memoria no volátil en la placa.

En la prueba de exploración de límites, los circuitos de prueba integrados en varios circuitos integrados en la placa forman conexiones temporales entre las trazas de PCB para comprobar que los circuitos integrados están montados correctamente. La prueba de exploración de límites requiere que todos los circuitos integrados que se van a probar utilicen un procedimiento de configuración de prueba estándar, siendo el estándar JTAG (Joint Test Action Group) el más común. 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 fallan en la prueba, los técnicos pueden desoldar y reemplazar los componentes defectuosos, una tarea conocida como retrabajo.

Protección y embalaje

Los PCB destinados a entornos extremos a menudo tienen un revestimiento de conformación, que se aplica por inmersión o rociado después de soldar los componentes. El revestimiento evita la corrosión y las corrientes de fuga o los cortocircuitos debidos a la condensación. Las primeras capas de conformación fueron de cera; Los conformal coats modernos suelen ser baños de soluciones diluidas de caucho de silicona, poliuretano, acrílico o epoxi. Otra técnica para aplicar un recubrimiento de conformación es que se deposite plástico sobre la PCB en una cámara de vacío. La principal desventaja de los revestimientos de conformación es que el mantenimiento de la placa se hace extremadamente difícil.

Muchas PCB ensambladas son sensibles a la estática y, por lo tanto, deben colocarse en bolsas antiestáticas durante el transporte. Al manipular estas tarjetas, el usuario debe estar conectado a tierra (grounded). Las técnicas de manipulación inadecuadas pueden transmitir una carga estática acumulada a través de la placa, dañando o destruyendo los componentes. Es posible que el daño no afecte de inmediato la función, pero que provoque una falla prematura más adelante, provoque fallas de funcionamiento intermitentes o reduzca el rango de condiciones ambientales y eléctricas en las que la placa funciona correctamente. Incluso las tablas desnudas a veces son sensibles a la estática: las trazas se han vuelto tan finas que es posible quemar una traza (o cambiar sus características) con una descarga estática. Esto es especialmente cierto en los PCB no tradicionales, como los MCM y los PCB de microondas.

Construcción de leña

Un módulo de madera de cordón

La construcción de Cordwood se usó en espoletas de proximidad.

La construcción de cordwood puede ahorrar mucho espacio y se usaba a menudo con componentes con extremos de alambre en aplicaciones en las que el espacio era escaso (como espoletas, guía de misiles y sistemas de telemetría) y en computadoras de alta velocidad, donde las trazas cortas eran importantes. En la construcción con cordwood, los componentes con terminales axiales se montaban entre dos planos paralelos. Los componentes se soldaron entre sí con un cable de puente o se conectaron a otros componentes mediante una delgada cinta de níquel soldada en ángulo recto en los cables de los componentes. Para evitar cortocircuitar las diferentes capas de interconexión, se colocaron finas tarjetas aislantes entre ellas. Las perforaciones o agujeros en las tarjetas permiten que el componente se proyecte a través de la siguiente capa de interconexión. Una desventaja de este sistema era que se tenían que usar componentes especiales con plomo de níquel para permitir que se hicieran soldaduras de interconexión confiables. La expansión térmica diferencial del componente podría ejercer presión sobre los cables de los componentes y las trazas de 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 cordwood usaban PCB de un solo lado soldado como método de interconexión (como se muestra en la imagen), lo que permitía el uso de componentes con 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 empaquetado de componentes posible; debido a esto, fue utilizado por varios proveedores de computadoras, incluida Control Data Corporation. El método de construcción de cordwood 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.

Tipos

Tableros de ruptura

Una tabla de separación puede permitir la interconexión entre dos conectores incompatibles

Esta tabla de descomposición permite que los pines de una tarjeta SD se accedan fácilmente mientras que permite que la tarjeta esté caliente

Una tabla de separación permite que un módulo (un módulo Bluetooth en este caso) tenga pins más grandes

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

Los PCB avanzados pueden contener componentes integrados en el sustrato, como capacitores y circuitos integrados, para reducir la cantidad de espacio que ocupan los componentes en la superficie del PCB mientras se mejoran las características eléctricas.

Placas multicable

Multiwire es una técnica patentada de interconexión que utiliza cables aislados colocados a máquina e incrustados en una matriz no conductora (a menudo, resina plástica). Fue utilizado durante las décadas de 1980 y 1990. A partir de 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 los cables (generalmente una operación de diseño de PCB que requiere mucho tiempo): en cualquier lugar donde el diseñador necesite una conexión, la máquina dibujará un cable en línea recta desde una ubicación/clavija a otra. Esto condujo 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 sucede en Multiwire), aunque el costo es demasiado alto. para competir con tecnologías de PCB más baratas cuando se necesitan grandes cantidades.

Las correcciones se pueden realizar en un diseño de placa Multiwire más fácilmente que en un diseño de PCB.

Usos

Las placas de circuito impreso se han utilizado como alternativa a su uso típico para la ingeniería electrónica y biomédica gracias a la versatilidad de sus capas, especialmente la capa de cobre. Las capas de PCB se han utilizado para fabricar sensores, como sensores de presión capacitivos y acelerómetros, actuadores como microválvulas y microcalentadores, así como plataformas de sensores y actuadores para Lab-on-a-chip (LoC), por ejemplo para realizar cadenas de polimerasa. reacción (PCR) y celdas de combustible, por nombrar algunos.

Reparar

Es posible que los fabricantes no admitan la reparación a nivel de componente de las placas de circuito impreso debido al costo relativamente bajo de reemplazo en comparación con el tiempo y el costo de la 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 un desperdicio material, 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 condensador. Esta práctica contribuye significativamente al problema de los desechos electrónicos.

Legislación

En muchos países (incluidos todos los participantes del Mercado Único Europeo, el Reino Unido, Turquía y China), la legislación restringe el uso de plomo, cadmio y mercurio en equipos eléctricos. Por lo tanto, los PCB vendidos en dichos países deben utilizar procesos de fabricación sin plomo y soldadura sin plomo, y los componentes adjuntos deben cumplir.

La norma 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 aparatos. Las pruebas analizan características como la inflamabilidad, la temperatura máxima de funcionamiento, el seguimiento eléctrico, la desviación del calor y el soporte directo de partes eléctricas activas.