¿Qué es una PCB?
Las placas de circuito impreso (PCB) aparecen en casi todos los dispositivos electrónicos. Si hay componentes electrónicos en un dispositivo, están integrados en PCB de diferentes tamaños. Además de fijar varias piezas pequeñas, la función principal de la PCB es proporcionar conexiones eléctricas mutuas entre las piezas anteriores. A medida que los dispositivos electrónicos se vuelven cada vez más complejos, se requieren cada vez más piezas y los circuitos y piezas de la PCB se vuelven cada vez más densos.
La placa base del propio tablero está fabricada con material aislante que no se dobla fácilmente. El material de cableado fino visible en la superficie es una lámina de cobre. Originalmente, toda la placa estaba cubierta con una lámina de cobre, pero parte de ella fue eliminada durante el proceso de fabricación y la parte restante se convirtió en una malla de cableado fino. Estas líneas se denominan patrones o trazas de conductores y se utilizan para proporcionar conexiones eléctricas a los componentes de la PCB.
Para fijar las piezas a la PCB soldamos sus pines directamente al cableado. En la PCB (placa única) más básica, las piezas están concentradas en un lado y los cables en el otro lado. De esta forma, necesitamos hacer agujeros en el tablero para que los pines puedan pasar a través del tablero hacia el otro lado, así los pines de la pieza quedan soldados al otro lado. Debido a esto, los lados frontal y posterior de la PCB se denominan lado del componente y lado de soldadura, respectivamente.
Si hay algunas piezas en la PCB que deben retirarse o volver a colocarse después de completar la producción, se utilizarán enchufes al instalar las piezas. Debido a que el zócalo está soldado directamente a la placa, las piezas se pueden quitar a voluntad. A continuación se muestra un zócalo ZIF (Zero Insertion Force), que permite que la pieza (en este caso, la CPU) se inserte o retire fácilmente del zócalo. Una barra de retención al lado del enchufe mantiene la pieza en su lugar después de enchufarla.
Si queremos conectar dos placas PCB entre sí solemos utilizar conectores de borde comúnmente conocidos como “dedo dorado”. Los dedos dorados contienen muchas almohadillas de cobre expuestas que en realidad forman parte del enrutamiento de la PCB. Por lo general, al realizar la conexión, insertamos el dedo dorado de una PCB en la ranura correspondiente de otra PCB (comúnmente conocida como ranura de expansión). En las computadoras, las tarjetas gráficas, las tarjetas de sonido u otras tarjetas de interfaz similares están conectadas a la placa base mediante dedos dorados.
El color verde o marrón de la PCB es el color de la máscara de soldadura. Esta capa es una capa protectora aislante que protege el cable de cobre y evita que las piezas se suelden en lugares incorrectos. Además, se imprimirá una pantalla en la máscara de soldadura. Por lo general, se imprimen palabras y símbolos (en su mayoría blancos) para indicar la posición de cada parte en el tablero. La superficie de serigrafía también se llama leyenda.
Cartón de una sola cara
Como acabamos de mencionar, en el PCB más básico, las piezas están concentradas en un lado y los cables en el otro. Debido a que los cables solo aparecen en un lado, a este tipo de PCB lo llamamos de un solo lado. Debido a que las placas individuales tienen muchas restricciones estrictas en el diseño del cableado (debido a que solo hay un lado, el cableado no puede cruzarse y debe seguir una ruta separada), solo los primeros circuitos usan este tipo de placa.
Cartón de doble cara
Este tipo de placa de circuito tiene cableado en ambos lados. Sin embargo, si desea utilizar cable de doble cara, debe realizar la conexión eléctrica adecuada entre ambos lados. Este "puente" entre circuitos se llama vía. Los orificios guía son pequeños orificios rellenos o recubiertos con metal en la placa PCB que pueden conectar cables en ambos lados. Debido a que el área de un panel de doble cara es el doble que la de un panel de una sola cara, y debido a que el cableado se puede escalonar (puede ir al otro lado), es más adecuado para circuitos más complejos que uno de una sola cara. panel lateral.
Placas multicapa
Para aumentar el área que se puede cablear, las placas multicapa utilizan principalmente placas de circuito de una o dos caras. Los tableros multicapa utilizan varios paneles de doble cara, con una capa aislante colocada entre cada panel y luego pegada (prensada). El número de capas en una placa significa que hay varias capas de enrutamiento independientes, generalmente un número par, incluidas las dos capas exteriores. La mayoría de las placas base tienen una estructura de 4 a 8 capas, pero técnicamente pueden ser placas PCB de casi 100 capas. La mayoría de las supercomputadoras grandes utilizan bastantes placas base multicapa, pero debido a que dichas computadoras pueden ser reemplazadas por grupos de muchas computadoras comunes, las placas supermulticapa están quedando gradualmente en desuso. Debido a que todas las capas de la PCB están estrechamente integradas, generalmente no es fácil ver el número real, pero si observa detenidamente la placa base, es posible que pueda verlo.
Las vías que acabamos de mencionar deben penetrar todo el tablero si se aplican a un tablero de doble cara. Sin embargo, en una placa multicapa, si solo desea conectar unas pocas pistas, las vías pueden desperdiciar algo de espacio en otras capas. Las vías enterradas y ciegas evitan este problema porque sólo penetran unas pocas capas. Las vías ciegas conectan varias capas de PCB internas a la PCB de superficie sin penetrar toda la placa. Las vías enterradas solo se conectan a la PCB interna, por lo que no se ve luz desde la superficie.
En una PCB multicapa, toda la capa está conectada directamente a tierra y alimentación. Entonces dividimos cada capa en capa de señal, capa de energía o capa de tierra. Si las piezas de una PCB requieren diferentes fuentes de alimentación, esta PCB suele tener más de dos capas de fuentes de alimentación y cables.
Tecnología de embalaje de componentes (tecnología de orificio pasante)
La tecnología de colocar componentes en un lado de la placa de circuito y soldar los pines en el otro lado se denomina embalaje "THT". Esta parte ocupará mucho espacio y será necesario perforar un agujero para cada aguja. Por lo tanto, sus pines ocupan espacio en ambos lados y las uniones de soldadura son relativamente grandes. Por otro lado, las piezas THT se conectan a la PCB mejor que las piezas SMT (tecnología de montaje en superficie), de lo que hablaremos más adelante. Los enchufes como los cables planos e interfaces similares deben resistir tensiones, por lo que suelen ser paquetes THT.
Tecnología de montaje en superficie (SMT)
Para dispositivos que utilizan tecnología de montaje en superficie (SMT), los pines se sueldan al mismo lado que el dispositivo. Esta tecnología no requiere soldar cada pin, sino perforar agujeros en la PCB.
Piezas unidas por superficie
Las piezas unidas por superficie pueden incluso soldarse por ambos lados.
Las piezas SMT también son más pequeñas que las piezas THT. Los PCB que utilizan tecnología SMT tienen mayor densidad en comparación con los PCB que utilizan dispositivos THT. Las piezas del paquete SMT también son más baratas que las THT. Por lo tanto, no sorprende que la mayoría de los PCB actuales sean SMT.
Debido a que las uniones de soldadura y los pines de las piezas son muy pequeños, es muy difícil soldar a mano. Sin embargo, si el montaje actual está totalmente automatizado, este problema sólo surgirá a la hora de reparar piezas.
Ciclo de diseño
En el diseño de PCB, en realidad tenemos que pasar por un largo paso antes del cableado formal. El siguiente es el proceso de diseño principal:
Especificación del sistema
Primero, debemos planificar las especificaciones del sistema del equipo electrónico. Incluya capacidades del sistema, restricciones de costos, tamaño, operación y más.
Diagrama de bloques funcionales del sistema
A continuación se debe realizar un diagrama de bloques funcionales del sistema. También se debe marcar la relación entre casillas.
Dividir el sistema en varias placas de circuito impreso.
Si el sistema se divide en varias PCB, no solo se puede reducir el tamaño, sino que también se puede actualizar el sistema y reemplazar piezas. El diagrama de bloques funcional del sistema proporciona la base para nuestra división. Por ejemplo, una computadora se puede dividir en placa base, tarjeta gráfica, tarjeta de sonido, unidad de disquete y fuente de alimentación.
Determinar el método de embalaje y el tamaño de cada PCB.
Después de determinar la tecnología y la cantidad de circuitos utilizados en cada PCB, el siguiente paso es determinar el tamaño de la placa de circuito. Si el diseño es demasiado grande, el proceso de empaquetado se cambiará o se repartirá nuevamente. A la hora de elegir una tecnología, también hay que tener en cuenta la calidad y la velocidad de los diagramas de circuito.
Dibuja una visión general de todos los circuitos PCB.
La descripción general debe mostrar detalles de interconexión entre partes. Los PCB en todos los sistemas deben enrutarse y la mayoría de ellos ahora utilizan CAD (diseño asistido por computadora). A continuación se muestra un ejemplo de un diseño que utiliza Circuit MakerTM.
Operación de simulación del diseño preliminar
Para garantizar que el diagrama del circuito diseñado pueda funcionar normalmente, primero se debe utilizar el software de computadora para la simulación. Este software puede leer dibujos de diseño y mostrar el funcionamiento del circuito de diversas formas. Esto es mucho más eficiente que hacer una muestra de PCB y luego medirla manualmente.
Colocación de piezas en la PCB
La forma en que se colocan las piezas depende de cómo están conectadas. Deben estar conectados al camino de la manera más eficiente. El llamado cableado eficiente significa que cuanto más cortos sean los cables y menos capas atraviesen (lo que también reduce el número de vías), mejor. Pero volveremos a discutir este tema en el cableado real.
Así es como se encamina el bus en la PCB. Para lograr un enrutamiento perfecto de todos los componentes, la ubicación es muy importante.
Prueba posibilidades de cableado y correcto funcionamiento a altas velocidades.
En la actualidad existen algunos programas informáticos que pueden comprobar si la posición de cada componente se puede conectar correctamente o si puede funcionar correctamente y a alta velocidad. Este paso se llama ordenar las piezas, pero no profundizaremos en eso. Si hay problemas con el diseño del circuito, las piezas se pueden reorganizar antes de exportar el circuito al campo.
Circuito de salida en PCB
Las conexiones en la descripción general ahora parecen cableado de campo. Este paso suele estar completamente automatizado, pero generalmente algunas piezas aún deben cambiarse manualmente. A continuación se muestra la plantilla de conductor para la placa de 2 capas. Las líneas roja y azul representan la capa del dispositivo y la capa de soldadura de la PCB, respectivamente. El texto blanco y los cuadrados representan marcas en la superficie de serigrafía. Los puntos y círculos rojos representan agujeros perforados y piloto. En el extremo derecho, podemos ver dedos dorados en la superficie de soldadura de la PCB. La composición final de esta PCB a menudo se denomina obra de arte.
Cada diseño debe cumplir con un conjunto de reglas, como espacios mínimos retenidos entre líneas, anchos mínimos de línea y otras restricciones prácticas similares. Estas regulaciones varían según la velocidad del circuito, la intensidad de la señal transmitida, la sensibilidad del circuito al consumo de energía y al ruido, y la calidad de los materiales y equipos de fabricación. Si la intensidad de la corriente aumenta, el grosor del cable también debe aumentar. Para reducir el costo de los PCB y al mismo tiempo reducir el número de capas, también es necesario prestar atención a si estas regulaciones aún se cumplen. Si se requieren más de dos capas, la capa de alimentación y la capa de tierra generalmente se usan para evitar el impacto de la señal transmitida en la capa de señal y se pueden usar como cubierta protectora para la capa de señal.
Prueba del circuito posterior a la línea
Para garantizar que la línea detrás del conductor pueda funcionar normalmente, debe pasar la inspección final. La prueba también comprueba si hay conexiones incorrectas, todas las cuales siguen el esquema.
Crear archivos de producción
Debido a que actualmente existen muchas herramientas CAD para diseñar PCB, los fabricantes deben tener archivos que cumplan con los estándares antes de poder fabricar placas. Existen varias especificaciones estándar, pero la más utilizada es la especificación del archivo Gerber. Un conjunto de archivos Gerber incluye planos de planta para cada plano de señal, alimentación y tierra, planos para máscara de soldadura y superficies de serigrafía, y documentación para perforación, selección y colocación, etc.
Problemas de compatibilidad electromagnética
Es probable que los equipos electrónicos que no estén diseñados de acuerdo con las especificaciones EMC (compatibilidad electromagnética) emitan energía electromagnética e interfieran con los aparatos eléctricos cercanos. EMC establece límites máximos para interferencias electromagnéticas (EMI), campos electromagnéticos (EMF) e interferencias de radiofrecuencia (RFI). Esta disposición garantiza el funcionamiento adecuado de este equipo y otros equipos cercanos. EMC tiene límites estrictos sobre la energía dispersada o conducida de un dispositivo a otro, y el diseño debe reducir la susceptibilidad a EMF, EMI, RFI, etc. externos. En otras palabras, el propósito de este reglamento es evitar que la energía electromagnética entre o sea emitida por los equipos. En realidad, este es un problema difícil de resolver. Generalmente, se utilizan la capa de energía y la capa de tierra, o la PCB se coloca en una caja de metal para resolver estos problemas. Las capas de alimentación y tierra pueden evitar la interferencia de la capa de señal y la caja de metal tiene un efecto similar. No profundizaremos en estas cuestiones.
La velocidad máxima del circuito depende de cómo se haga según la normativa EMC. La EMI interna, como las pérdidas de corriente entre conductores, aumentará con la frecuencia. Si la brecha actual entre ellos es demasiado grande, entonces se debe alargar la distancia entre ellos. Esto también nos dice cómo evitar altos voltajes y minimizar el consumo de corriente del circuito. La tasa de retraso del cableado también es importante, por lo que cuanto más corta sea la longitud, mejor. Por lo tanto, una PCB pequeña con buen cableado será más adecuada para un funcionamiento a alta velocidad que una PCB grande.
Proceso de Fabricación
El proceso de fabricación de PCB comienza con un "sustrato" hecho de vidrio epoxi o materiales similares.
Imagen (moldeado/cableado)
El primer paso en la fabricación es establecer las conexiones entre las piezas. Utilizamos transferencia negativa para mostrar películas de trabajo sobre conductores metálicos. Esta técnica consiste en extender una fina capa de lámina de cobre por toda la superficie, eliminando el exceso. La transferencia de patrones adicionales es otro método que la gente rara vez usa, aplicando alambre de cobre solo cuando es necesario y no se discutirá aquí.
Si se trata de una placa de doble cara, ambos lados del sustrato de la PCB deben cubrirse con una lámina de cobre. Si se fabrica un tablero de varias capas, los tableros se pegarán entre sí en el siguiente paso.
El siguiente diagrama de flujo muestra cómo se sueldan los cables al sustrato.
El fotorresistente positivo está hecho de fotosensibilizador y se disolverá cuando se exponga a la luz (el fotorresistente negativo se descompondrá si no se expone a la luz). Hay muchas formas de tratar el fotorresistente en superficies de cobre, pero el método más común es calentar y enrollar sobre la superficie que contiene el fotorresistente (llamado fotorresistente de película seca). También se puede rociar en forma líquida, pero el tipo de película seca ofrece una resolución más alta y también puede producir alambres más delgados.
El escudo de luz es solo una plantilla para la capa de PCB en la fabricación. Antes de que el fotorresistente de la PCB se exponga a la luz ultravioleta, una fotomáscara que lo cubre evita que ciertas áreas del fotorresistente queden expuestas (suponiendo que se utilice un fotorresistente positivo). Estas áreas cubiertas por fotorresistente se convierten en cableado.
Otras piezas de cobre desnudas que se grabarán después del revelado del fotorresistente. Durante el proceso de grabado, la placa se puede sumergir en disolvente de grabado o rociar con disolvente. Los disolventes de grabado más utilizados son el cloruro férrico, el amoníaco alcalino, el ácido sulfúrico, el peróxido de hidrógeno y el cloruro de cobre. Después del grabado, se elimina el fotoprotector restante. A esto se le llama procedimiento de decapado.
En la imagen siguiente se puede ver cómo se enrutan los cables de cobre.
Perforación y enchapado
Si se fabrica una PCB multicapa y contiene vías enterradas o ciegas, cada capa debe perforarse y enchaparse antes de unirlas. Sin este paso, no hay forma de comunicarse entre sí.
Después de perforar la máquina y el equipo de acuerdo con los requisitos de perforación, el interior de la pared del orificio debe galvanizarse (tecnología de orificio pasante revestido, PTH). Después del tratamiento del metal en la pared del agujero, los circuitos internos se pueden conectar entre sí. Antes de galvanizar, se deben eliminar las impurezas de los orificios. Esto se debe a que la resina epoxi sufrirá algunos cambios químicos cuando se caliente y los productos químicos producidos cubrirán la capa interna de PCB, por lo que deben eliminarse primero. Las acciones de limpieza y enchapado se completarán durante el proceso químico.
Prensado de placa de circuito impreso multicapa
Cada capa debe prensarse formando una placa multicapa. La acción de presionar implica agregar aislamiento entre capas y pegarlas. Si hay varias capas de vías, se debe repetir el proceso para cada capa. El cableado en los lados exteriores de la placa multicapa generalmente se procesa después de presionar la placa multicapa.
Procesamiento de la máscara de soldadura, la superficie de serigrafía y el enchapado de la parte del dedo dorado
A continuación, cubra el cableado más externo con pintura resistente a la soldadura para que el cableado no entre en contacto con la parte enchapada. Sobre él se imprime una superficie de serigrafía para indicar la ubicación de las distintas piezas. No debe cubrir ningún cableado ni dedos dorados, que puedan reducir la soldabilidad o la estabilidad de la conexión actual. Los dedos dorados suelen estar chapados en oro para garantizar una conexión eléctrica de alta calidad cuando se insertan en la ranura de expansión.
Prueba
Prueba la PCB en busca de cortocircuito o circuito abierto, que puede probarse por medios ópticos o electrónicos. El escaneo óptico se utiliza para encontrar defectos en cada capa, mientras que las pruebas electrónicas suelen utilizar sondas voladoras para inspeccionar todas las conexiones. Las pruebas electrónicas son más precisas para encontrar cortocircuitos o aberturas, pero las pruebas ópticas pueden detectar más fácilmente espacios incorrectos entre conductores.
Instalación y Soldadura de Piezas
El último paso es instalar y soldar las piezas. Tanto las piezas THT como SMT se montan y colocan en la PCB mediante máquinas y equipos.
Las piezas THT se suelen soldar mediante un método llamado soldadura por ola. Esto permite soldar todos los componentes a la PCB simultáneamente. Primero, corte los pasadores cerca del tablero y dóblelos ligeramente para poder asegurar las piezas. Luego, el PCB se mueve hacia la onda de agua del cosolvente para que el fondo quede expuesto al codisolvente, lo que elimina el óxido del metal del fondo. Después de calentar la PCB, esta vez muévala sobre la soldadura fundida y completa la soldadura después de tocar la parte inferior.
La soldadura automática de piezas SMT se llama soldadura por reflujo. La pasta de soldadura que contiene fundente y soldadura se procesa una vez después de montar la pieza en la PCB y nuevamente después de calentar la PCB. Una vez que la PCB se ha enfriado, se completa la soldadura y luego se prepara la PCB para la prueba final.
Métodos para ahorrar costes de fabricación
Para mantener el coste de PCB lo más bajo posible, hay muchos factores que se deben considerar:
El tamaño El cuidado del tablero es, naturalmente, un punto importante.
Cuanto más pequeño sea el tablero, menor será el costo. Algunas dimensiones de PCB se han convertido en estándares y, siempre que se sigan las dimensiones, el costo, naturalmente, se reducirá. El sitio web de CustomPCB tiene información sobre los tamaños estándar.
Usar SMT ahorrará dinero que THT porque las piezas de la PCB serán más densas (y más pequeñas).
Por otro lado, si las piezas del tablero están densamente empaquetadas, el cableado debe ser más delgado y el equipamiento utilizado debe ser relativamente alto. Al mismo tiempo, los materiales utilizados deben ser más avanzados y el diseño de los cables debe ser más cuidado para evitar problemas que puedan afectar al circuito, como el consumo de energía. Estos problemas generan mayores costos que la reducción del tamaño de la PCB. Cuanto mayor sea el número de capas, mayor será el coste, pero los PCB con menos capas suelen dar lugar a un mayor tamaño. La perforación lleva tiempo, por lo que cuantos menos agujeros piloto, mejor.
Las vías enterradas son más caras que las vías piloto que penetran todas las capas. Porque se deben perforar agujeros enterrados antes de la conexión.
El tamaño de los agujeros en el tablero está determinado por el diámetro de los pines del dispositivo. Si hay piezas con diferentes pines en la placa de circuito, la máquina no puede usar la misma broca para perforar todos los agujeros, lo que lleva relativamente tiempo y genera costos de fabricación relativamente altos.
Las pruebas electrónicas mediante inspección con sonda voladora son generalmente más caras que las pruebas ópticas. En términos generales, las pruebas ópticas son suficientes para garantizar que no haya errores en la PCB.
En definitiva, el esfuerzo de los fabricantes en equipos es cada vez más complejo. Es muy útil comprender el proceso de fabricación de PCB, porque cuando comparamos placas base, el costo y la estabilidad de placas con el mismo rendimiento pueden ser diferentes, lo que también nos permite comparar las capacidades de varios fabricantes.
Un buen ingeniero puede saber la calidad del diseño con sólo mirar el diseño de la placa base. Puede que sientas que no eres tan fuerte, pero la próxima vez que compres una placa base o una tarjeta gráfica, ¡podrías apreciar primero la belleza del diseño de PCB!