La placa de circuito impreso ( en inglés Printed Circuit Board, PCB , o placa de cableado impreso, PWB ) es una placa dieléctrica , en cuya superficie y/o en cuyo volumen se forman los circuitos eléctricamente conductores de un circuito electrónico . La placa de circuito impreso está diseñada para la conexión eléctrica y mecánica de varios componentes electrónicos. Los componentes electrónicos en una placa de circuito impreso están conectados por sus conductores a elementos del patrón conductor, generalmente mediante soldadura .
A diferencia del montaje en superficie , en una placa de circuito impreso, el patrón conductor de electricidad está hecho de lámina , completamente ubicado sobre una base aislante sólida. La placa de circuito impreso contiene orificios de montaje y almohadillas para el montaje de componentes planos o pines. Además, las placas de circuito impreso tienen vías para la conexión eléctrica de secciones de láminas ubicadas en diferentes capas de la placa. Desde el exterior, la placa generalmente está recubierta con una capa protectora ("máscara de soldadura") y marcas (una figura y texto auxiliares de acuerdo con la documentación de diseño).
Dependiendo de la cantidad de capas con un patrón conductor de electricidad, las placas de circuito impreso se dividen en:
A medida que aumenta la complejidad de los dispositivos diseñados y la densidad de montaje, aumenta el número de capas en las placas [1] .
Según las propiedades del material base :
Las placas de circuito impreso pueden tener sus propias características debido a su propósito y requisitos para condiciones de funcionamiento especiales (por ejemplo, rango de temperatura ampliado ) o características de aplicación (por ejemplo, placas para dispositivos que funcionan a altas frecuencias ).
La base de la placa de circuito impreso es un dieléctrico , los materiales más utilizados son la fibra de vidrio , getinaks .
Además, la base de las placas de circuito impreso puede ser una base de metal recubierta con un dieléctrico (por ejemplo, aluminio anodizado ), se aplican pistas de lámina de cobre sobre el dieléctrico. Tales placas de circuito impreso se utilizan en la electrónica de potencia para la eliminación eficiente del calor de los componentes electrónicos. Para mejorar aún más el rendimiento térmico, la base metálica de la placa se puede conectar a un disipador de calor .
Como material para placas de circuito impreso que operan en el rango de microondas y a temperaturas de hasta 260 ° C, se utilizan fluoroplásticos reforzados con tela de vidrio (por ejemplo, FAF-4D) [2] y cerámica . Estas placas tienen las siguientes limitaciones:
Los tableros flexibles están hechos de materiales de poliimida como Kapton .
El diseño de la placa se lleva a cabo en programas especializados de diseño asistido por computadora . Los más famosos son PADS Professional , Xpedition , Altium Designer , P- CAD , OrCAD , TopoR , Specctra , Proteus , gEDA , KiCad , etc. de tendido de conductores.
En Rusia, existen estándares para la documentación de diseño de placas de circuito impreso en el marco del Sistema Unificado para la Documentación de Diseño :
Otros estándares para placas de circuito impreso:
Considere un proceso típico para diseñar una placa de circuito impreso de acuerdo con un diagrama de circuito confeccionado: [5]
Los fabricantes de PCB a menudo encuentran errores de diseño no obvios por parte de ingenieros novatos. Los errores más típicos [7] :
La producción de PP es posible por un método aditivo o sustractivo. En el método aditivo , se forma un patrón conductivo sobre un material no laminado mediante recubrimiento químico de cobre a través de una máscara protectora aplicada previamente al material. En el método sustractivo, se forma un patrón conductor en un material de hoja al eliminar secciones innecesarias de la hoja. En la industria moderna, solo se utiliza el método sustractivo.
Todo el proceso de fabricación de PCB se puede dividir en cuatro etapas:
A menudo, la producción de placas de circuito impreso se entiende solo como el procesamiento de una pieza de trabajo (material de lámina). Un procesamiento típico de un material de lámina consta de varias etapas: perforación de vías, obtención de un patrón de conductores mediante la eliminación del exceso de lámina de cobre, revestimiento de orificios, aplicación de recubrimientos protectores y estañado, y marcado. [8] Para placas de circuito impreso multicapa, se agrega el prensado de la placa final a partir de varios espacios en blanco.
Material laminado: una lámina plana de dieléctrico con lámina de cobre pegada. Por regla general, la fibra de vidrio se utiliza como dieléctrico . En equipos antiguos o muy baratos, se utiliza textolita sobre una base de tela o papel, a veces denominada getinax . Los dispositivos de microondas utilizan polímeros que contienen flúor ( fluoroplásticos ). El grosor del dieléctrico está determinado por la resistencia mecánica y eléctrica requerida, el grosor más común de los tableros de una sola capa y de varias capas es de aproximadamente 1,5 mm; se utilizan capas dieléctricas más delgadas para tableros multicapa.
Se pega una hoja continua de lámina de cobre sobre el dieléctrico en uno o ambos lados. El grosor de la lámina está determinado por las corrientes para las que está diseñada la placa. La lámina más utilizada es de 18 y 35 micras de espesor, 70, 105 y 140 micras son mucho menos comunes. Estos valores se basan en espesores de cobre estándar en materiales importados, en los que el espesor de la capa de lámina de cobre se calcula en onzas (oz) por pie cuadrado . 18 micrones corresponden a ½ oz y 35 micrones a 1 oz.
Placas de circuito de aluminioUn grupo separado de materiales son las placas de circuito impreso de aluminio y metal . Los tableros de aluminio se utilizan a menudo cuando se requiere conducir el calor a través de la superficie del tablero, como en las luminarias LED . Se pueden dividir en dos grupos.
El primer grupo: soluciones en forma de lámina de aluminio con una superficie oxidada de alta calidad, sobre la cual se pega una lámina de cobre . Dichos tableros no se pueden perforar, por lo que generalmente se fabrican de un solo lado. El procesamiento de tales materiales de láminas se lleva a cabo de acuerdo con las tecnologías tradicionales de dibujo químico. A veces, en lugar de aluminio, se usa cobre o acero, laminado con un aislante delgado y una lámina. El cobre tiene una alta conductividad térmica, el tablero de acero inoxidable proporciona resistencia a la corrosión. [9]
El segundo grupo implica la creación de un patrón conductor directamente en el aluminio base. Para ello, la lámina de aluminio se oxida no sólo en la superficie, sino también en toda la profundidad de la base según el patrón de regiones conductoras especificado por la fotomáscara. [10] [11]
En la fabricación de tableros se utilizan métodos químicos, electrolíticos o mecánicos para reproducir el patrón conductivo requerido, así como sus combinaciones.
Método químicoEl método químico de fabricación de placas de circuito impreso a partir de material de lámina acabado consta de dos etapas principales: aplicar una capa protectora a la lámina y grabar las áreas desprotegidas mediante métodos químicos.
En la industria, se aplica una capa protectora mediante fotolitografía utilizando una fotorresistencia sensible a los rayos ultravioleta , una fotomáscara y una fuente de luz ultravioleta. La fotoprotección cubre completamente el cobre de la lámina, después de lo cual el patrón de pistas de la fotomáscara se transfiere a la fotoprotección mediante iluminación. La fotoprotección expuesta se elimina por lavado, exponiendo la lámina de cobre para el grabado, mientras que la fotoprotección no expuesta se fija a la lámina, protegiéndola del grabado.
El fotoprotector puede ser líquido o película. La fotoprotección líquida se aplica en condiciones industriales, ya que es sensible al incumplimiento de la tecnología de aplicación. La película fotorresistente es popular para tableros hechos a mano, pero es más costosa. Una fotomáscara es un material transparente a los rayos UV con un patrón de seguimiento impreso. Después de la exposición, la fotoprotección se revela y se fija como en un proceso fotoquímico convencional.
En condiciones de aficionados, se puede aplicar una capa protectora en forma de barniz o pintura mediante serigrafía o a mano. Para formar una máscara de grabado en una lámina, los radioaficionados utilizan la transferencia de tóner de una imagen impresa en una impresora láser (" tecnología de planchado por láser ").
El grabado de láminas es el proceso químico de convertir el cobre en compuestos solubles. La lámina sin protección se graba, con mayor frecuencia, en una solución de cloruro férrico o en una solución de otros productos químicos, como sulfato de cobre , persulfato de amonio, cloruro de cobre y amoníaco, sulfato de cobre y amoníaco, a base de cloritos , a base de anhídrido crómico [12] . Cuando se utiliza cloruro férrico, el proceso de grabado de la placa se realiza de la siguiente manera: FeCl 3 + Cu → FeCl 2 + CuCl. Concentración típica de la solución 400 g/l, temperatura hasta 35 °C. Cuando se utiliza persulfato de amonio, el proceso de grabado de la placa se realiza de la siguiente manera: (NH 4 ) 2 S 2 O 8 + Cu → (NH 4 ) 2 SO 4 + CuSO 4 [12] .
Después del grabado, el patrón protector se retira de la lámina.
Método mecánicoEl método mecánico de fabricación implica el uso de máquinas de fresado y grabado u otras herramientas para la eliminación mecánica de la capa de lámina de áreas específicas.
Grabado láserHasta hace poco, el grabado láser de placas de circuito impreso no estaba muy extendido debido a las buenas propiedades reflectantes del cobre en la longitud de onda de los láseres de gas CO de alta potencia más comunes. En relación con el progreso en el campo de la ingeniería láser, ahora han comenzado a aparecer instalaciones de prototipos industriales basadas en láseres. [13]
Recubrimiento de agujerosLas vías y los orificios de montaje se pueden taladrar, punzonar mecánicamente (en materiales blandos como getinaks) o quemar con láser (vías muy finas). El recubrimiento de orificios generalmente se realiza químicamente o, más raramente, mecánicamente.
El revestimiento mecánico de los orificios se realiza con remaches especiales, piezas de alambre soldadas o rellenando el orificio con pegamento conductor (pasta de curado). El método mecánico es costoso en la producción y, por lo tanto, se usa muy raramente, generalmente en soluciones de piezas altamente confiables, equipos especiales de alta corriente o condiciones de radioaficionados con un diseño de pieza.
En la metalización química, primero se taladran agujeros en una hoja en blanco, luego se metalizan mediante deposición de cobre y solo después se graba la hoja para obtener un patrón de impresión. El recubrimiento químico de agujeros es un proceso complejo de múltiples etapas, sensible a la calidad de los reactivos y al cumplimiento de la tecnología. Por lo tanto, prácticamente no se usa en condiciones de radioaficionado. Simplificado, consta de los siguientes pasos:
Las placas multicapa (con más de 2 capas de conductores) se ensamblan a partir de una pila de placas de circuito impreso delgadas de dos o una capa hechas de manera tradicional (excepto las capas exteriores del paquete, se dejan con la lámina intacta en este escenario). Se ensamblan como un "sándwich" con juntas especiales ( prepregs ). A continuación, se realiza el prensado en horno, taladrado y chapado de vías. Por último, se graba la lámina de las capas exteriores. [1] Dado que el espesor del cobre en las capas exteriores aumenta según la cantidad de cobre depositado galvánicamente durante el revestimiento de vía, esto impone restricciones adicionales sobre el ancho de las pistas y los espacios entre ellas.
Los orificios pasantes en dichos tableros multicapa también se pueden hacer antes del prensado. Si los agujeros se hacen antes del prensado, entonces es posible obtener tableros con los llamados agujeros "sordos" y "ciegos" (cuando hay un agujero en una sola capa del "sándwich"), lo que permite compactar el diseño de tableros complejos. El costo de producción en estos casos aumenta significativamente, lo que requiere un compromiso razonable en el diseño de dichos tableros.
RecubrimientoLas posibles coberturas son:
Después de montar las placas de circuito impreso, es posible aplicar recubrimientos protectores adicionales que protegen tanto la placa como la soldadura y los componentes.
MecanizadoMuchos tableros individuales a menudo se colocan en una hoja en blanco. Pasan por todo el proceso de procesamiento de una hoja en blanco como una sola tabla, y solo al final están preparados para la separación. Si las tablas son rectangulares, entonces se fresan ranuras no pasantes, que facilitan la posterior rotura de las tablas (scribing, del escribano inglés a scratch). Si las tablas tienen una forma compleja, entonces se realiza un fresado, dejando puentes estrechos para que las tablas no se desmoronen. Para los tableros sin enchapar, en lugar de fresar, a veces se taladran una serie de agujeros con un paso pequeño. En esta etapa también se realiza la perforación de orificios de montaje (no enchapados).
Ver también: GOST 23665-79 Placas de circuito impreso. Procesamiento de contornos. Requisitos para procesos tecnológicos estándar.
Según un proceso técnico típico, la separación de las placas de la pieza de trabajo se produce después de la instalación de los componentes.
La soldadura es el principal método de montaje de componentes en placas de circuito impreso. La soldadura se puede realizar manualmente con un soldador o con la ayuda de tecnologías de soldadura en grupo especialmente desarrolladas.
Instalación de componentesLa instalación de componentes se puede realizar tanto manualmente como en instaladores automáticos especiales. La instalación automática reduce la posibilidad de error y acelera enormemente el proceso (las mejores instalaciones automáticas instalan varios componentes por segundo).
Soldadura por olaEl método principal de soldadura en grupo automatizada para componentes de plomo. Con la ayuda de activadores mecánicos, se crea una onda larga de soldadura fundida. La tabla se pasa sobre la ola de modo que la ola apenas toque la superficie inferior de la tabla. En este caso, los cables de los componentes de salida preinstalados se humedecen con la ola y se sueldan a la placa. El fundente se aplica al tablero con un sello de esponja.
Soldadura en hornosEl método principal de soldadura en grupo de componentes planos. Se aplica una pasta de soldadura especial (polvo de soldadura en un fundente pastoso) a las almohadillas de contacto de la placa de circuito impreso a través de una plantilla . Luego se instalan los componentes planos. Luego, la placa con los componentes instalados se introduce en un horno especial donde se activa el fundente de pasta de soldadura y el polvo de soldadura se derrite para soldar el componente.
Si dicha instalación de componentes se lleva a cabo en ambos lados, la placa se somete a este procedimiento dos veces, por separado para cada lado de la instalación. Los componentes planos pesados se montan sobre gotas de adhesivo que evitan que se caigan de la placa volteada durante la segunda soldadura. Los componentes ligeros se sujetan a la placa por la tensión superficial de la soldadura.
Después de soldar, la placa se trata con solventes para eliminar los residuos de fundente y otros contaminantes o, cuando se usa soldadura en pasta sin limpieza, la placa está inmediatamente lista para algunas condiciones de funcionamiento.
AcabadosDespués de soldar, la placa de circuito impreso con componentes se recubre con compuestos protectores: repelentes de agua, barnices (por ejemplo, UR-231 ), medios para proteger contactos abiertos. En algunos casos, para el funcionamiento del tablero en condiciones de fuertes vibraciones, el tablero se puede incrustar completamente en un compuesto similar al caucho.
Para la producción industrial en masa de placas de circuito impreso, se han desarrollado métodos de control de calidad automatizados.
Al verificar la corrección de las conexiones de campo, se verifica que las conexiones eléctricas no tengan interrupciones o cortocircuitos entre ellas.
Al controlar la calidad de la instalación de componentes electrónicos, se utilizan métodos de control óptico . El control de calidad óptica de la edición se lleva a cabo utilizando soportes especializados con cámaras de video de alta resolución. Los stands se integran en la línea de producción en las siguientes etapas:
Los sustratos de circuitos integrados híbridos son algo similar a una placa de circuito impreso de cerámica, pero generalmente usan otros procesos de fabricación:
Las cajas de cerámica de los microcircuitos electrónicos y algunos otros componentes también se fabrican utilizando tecnologías de microcircuitos híbridos.
Los teclados de membrana a menudo se fabrican en películas mediante serigrafía y sinterización con pastas metalizadas fusibles.