Circuitos ImpresosTeoría, Diseño y Montaje

Helman Hernando Mora Arévalo

¿Qué es un circuito impreso?Es un medio para sostener mecánicamente y conectar eléctricamente componentes electrónicos, a través de pistas de material conductor, grabados en hojas de cobre laminadas sobre un sustrato no conductor.

Un poco de historia… 1906 – Thomas Edison comentó la posibilidad de sustituir el cableado

tradicional por polvo metálico sobre material aislante. 1927 – Una empresa alemana comercializa un amplificador de audio con

un cableado diferente, sustituyendo los cables por tiras de chapa de latón. 1942 – Paul Eisler presentó como parte de una radio el proyecto completo

de un circuito impreso. 1943 – Paul Eisler patentó el circuito impreso de doble cara. 1950 – Se empiezan a fabricar industrialmente módulos normalizados de

circuitos impresos y componentes adaptados a la nueva técnica. 1961 – Se patenta en EE.UU. la primera estructura de placa multicapa. 1965 – Se desarrollan los baños químicos de metalización. 1971 – Una compañía holandesa desarrolla el primer circuito integrado

para montaje en superficie (Dispositivo de montaje superficial SMD). 1993 – Aparece el circuito impreso tridimensional (MCB). 1996 – Se comercializa el circuito impreso flexible de 20 capas.

Tipos de Circuitos Impresos

Monocapa o simple cara

Bicapa o doble cara

Multicapa o más de dos caras

Multicapa cableados o multiwire

Flexible

Flexible multicapa

Rígido-flexible multicapa

Tridimensional o MCD

•Monocapa o simple cara (single-sided non-plated holes): es un PCB con agujeros sin metalizar, se usa en diseños de bajo coste y sencillos.

•Bicapa o doble cara metalizado (two-sided plated holes): es un diseño complicado de bajo coste con taladros metalizados que permite hacer pasos de cara.

•Fig. 2 – PCB Tipo “two-sided plated holes”

Fig. 1 – PCB Tipo “single-sided non-plated holes”

•Bicapa o doble cara sin metalizar (two-sided non-plated holes): Diseño sencillo con taladros sin metalizar. Sustrato de fibras de vidrio y resina. Hay que soldar por los dos lados para que haya continuidad.

•Multicapa o más de dos caras: Es lo más habitual en productos comerciales. Suele tener entre 8 y 10 capas, de las cuales algunas están enterradas en el sustrato.

•Fig. 4 – PCB Tipo Multicapa

Fig. 3 – PCB Tipo “two-sided non-plated holes”

Composición físicaSuelen tener entre 1 a 16 capas conductoras, separadas y soportadas por capas de material aislante (sustrato). Las capas pueden conectarse a través de orificios llamados vías. Se pueden encontrar vías ciegas, que son vistas desde una cara de la placa, y vías encerradas, que no pueden verse desde ninguna de las dos caras.

Características de los sustratos

Mecánicas:•Suficientemente rígidos para mantener los componentes.•Fácil de taladrar.•Sin problemas de laminado.Químicas:•Metalizado de los taladros.•Retardante de las llamas.•No absorbe demasiada humedad. Térmicas:•Disipa bien el calor.•Coeficiente de expansión térmica bajo para que no se rompa.•Capaz de soportar el calor en la soldadura.•Capaz de soportar diferentes ciclos de temperatura.Eléctricas:•Constante dieléctrica baja para tener pocas pérdidas a altas frecuencias.•Punto de ruptura dieléctrica alto.

Láminas de cobre

Las láminas de cobre suelen tener diferente grosor (alto para las pistas de alimentación). Suele estar en orden de decenas de micras. El grosor se mide en onzas por pie cuadrado cuyo equivalente en micras es:

1onza = 35μm

Las alternativas al cobre son el aluminio y el níquel, aunque en realidad son poco comunes.

Características básicas de las láminas de cobre:

•Grosor típico de 1.6mm.•Temperatura de transición del vidrio inferior a 170ºC.•Aguante del laminado a picos de temperatura mientras ocurre la soldadura.•Coeficiente de expansión térmica razonable y constante.•Constante dieléctrica.•Pérdidas a altas frecuencias.

Tipos de Sustratos

Resina Fenólica y fibra de papel: Bajo costo, pobres características mecánicas y eléctricas. Orden de MHz.

Resina Epoxi y tela de vidrio: Costo razonable, muy buenas características mecánicas y eléctricas. Orden de Centenares de MHz.

Politretafluoroetileno (PTFE): Costo elevado, muy buenas características eléctricas y mecánicas pero requiere soporte mecánico adicional. Orden de GHz.

Alúmina: Material cerámico de costo elevado, muy buenas características eléctricas, no puede ser maquinado con facilidad. Orden de GHz.

Kapton: Polímero de altísima flexibilidad y duración ante reiteradas flexiones. Se emplea en la fabricación de circuitos flexibles.

Tipos de Montaje

Through-Hole Device (THD): Donde las patas de los componentes se insertan en los orificios y se fijan con soldaduras.

Surface Mounted Device (SMD): Donde los componentes se sueldan a los pads en las capas exteriores de la placa.

DiseñoPara realizar el diseño hoy en día se es asistido por softwares de computadoras.

Algunos Softwares:

OrCAD Proteus Altium EDWinXP Circuit Maker FreePCB PCB gEDA Kicad EAGLE ExpressPCB Electronics Workbench

CONCEPTOS GENERALES SOFTWARE PCB FOOTPRINT, HUELLA O MODULO: es la representación grafica que se utiliza

para la conexión del componente sobre la placa del circuito impreso; en la traducción literal de esta palabra es hulla dactilar.

ENCAPSULADOS: es un componente físicamente, por ejemplo: transistores con distintas características (intensidad, tensión, etc.) a la vista son iguales (excepto por la numeración que los identifica); cuando se recurre a las hojas de características se dispone de un apartado denominado Package Dimensions en donde se encuentra todas las medidas del componente.

PADS, NODOS O ISLETAS: corresponden con la interconexión de cada uno de los pines a la placa del componente impreso; estos pueden ser cuadradas, redondas, ovaladas o para SMD; existen unos tipos de isletas especiales denominados taladros de fijación y vías.

PISTAS: son las uniones de cobre que interconectan físicamente los pines de los componentes en la placa de circuito impreso.

REJILLA O GRID: se aplica a la cuadricula en la que se divide la pantalla de trabajo; determinando un valor de rejilla se determinan las coordenadas posibles para el trazado de líneas, y en consecuencia cualquier presentación grafica en la pantalla de edición.

PISTAS

En las diferentes aplicaciones se presentan como líneas que interconectanlos nodos.

ELECCION DEL ANCHO DE PISTA:

Para corrientes menores a 300 miliamperios, un valor mínimo de ancho de pista es de 0,5 milímetros. Se puede aceptar de 0,3 milímetro si se utiliza la técnica de microfresado.

Para mayores corrientes se puede escoger la norma de 0,5 milímetros de ancho de pista sobre cada amperio, como valor limite o mínimo; algunos autores recomiendan la norma de 1 milímetro de ancho de pista por cada amperio para un valor estándar de recubrimiento de cobre de la placa del circuito impreso de 35 micras

La anchura mínima de las pistas de alimentación será de 2 milímetros.

El estándar general para el diseño de circuitos impresos, ANSI-IPC 2221recomienda el calculo del ancho de pista mediante la siguiente ecuación:

En donde :• I: se corresponde con la corriente máxima, en amperios (A).• ∆T: se corresponde con el incremento de temperatura máximo (C°).• L:se corresponde con el grosor de la capa de cobre, en onzas por pie cuadrado( oz/ft2 )• k1se corresponde con la constante de 0,0150 para pistas internas y 0,0647 para pistas externas.• k2 se corresponde con la constante de 0,5453 para pistas internas y 0,4281 para pistas externas.• k3 se corresponde con la constante de 0,7349 para pistas internas y 0,6732 para pistas externas.

El resultado se tiene en milésimas de pulgadas (mil).

NORMAS BÁSICAS PARA EL DISEÑO DE CIRCUITOS IMPRESOS

Aunque cada caso requiere un tratamiento especial y cada Empresa tendrá sus propias normas, se deben de tener en cuenta unas reglas básicas que podrían considerarse comunes y que pasamos a enumerar:

1. Se diseñará sobre una hoja cuadriculada en décimas de pulgada, de modo que se hagan coincidir las pistas con las líneas de la cuadrícula o formando un ángulo de 45º con éstas, y los puntos de soldadura con las intersecciones de las líneas (Fig.a).

a b

2. Se tratará de realizar un diseño lo más sencillo posible; cuanto más cortas sean las pistas y más simple la distribución de componentes, mejor resultará el diseño.

3. No se realizarán pistas con ángulos de 90º; cuando sea preciso efectuar un giro en una pista, se hará con dos ángulos de 135º (Fig.b) ; si es necesario ejecutar una bifurcacion en una pista, se hará suavizando los ángulos con triángulos a cada lado (Fig.c).

4. Los puntos de soldadura consistirán en círculos cuyo diámetro será, al menos, el doble del ancho de la pista que en él termina.

5. Entre pistas próximas y entre pistas y puntos de soldadura, se observará una distancia que dependerá de la tensión eléctrica que se prevea existirá entre ellas; como norma general, se dejará una distancia mínima de unos 0,8 mm.; en casos de diseños complejos, se podrá disminuir los 0,8 mm hasta 0,4 mm. En algunas ocasiones será preciso cortar una porción de ciertos puntos de soldadura para que se cumpla esta norma (Fig.d)

c d

Mas información en: http://www.info-ab.uclm.es/labelec/Solar/Componentes/CIRCUITOS_IMPRESOS.HTML

e f

6. Todos los componentes se colocarán paralelos a los bordes de la placa (Fig.e).

7. Como norma general, se debe dejar, una o dos décimas de pulgada de patilla entre el cuerpo de los componentes y el punto de soldadura correspondiente (Fig.f).

8. El ancho de las pistas dependerá de la intensidad que vaya a circular por ellas. Se tendrá en cuenta que 0,8 mm puede soportar, dependiendo del espesor de la pista, alrededor de 2 amperios; 2 mm, unos 5 amperios; y 4,5 mm, unos 10 amperios. En general, se realizarán pistas de unos 2 mm aproximadamente

9. La distancia mínima entre pistas y los bordes de la placa será de dos décimas de pulgada, aproximadamente unos 5 mm.

10. No se podrán colocar pistas entre los bordes de la placa y los puntos de soldadura de terminales de entrada, salida o alimentación, exceptuando la pista de masa.

11. Se debe prever la sujeción de la placa a un chasis o caja; para ello se dispondrá un taladro de 3,5 mm en cada esquina de la placa.

12. No se pasarán pistas entre dos terminales de componentes activos (transistores, tiristores, etc.)

Métodos de Transferencia del Diseño Dibujo Directo: El traspaso del diseño a la placa se realiza en

forma manual. Generalmente se usan marcadores indelebles. No se recomienda este método para circuitos impresos de doble cara ya que es complicado de hacer coincidir los puntos de conexión de ambas caras.

Tóner por Calor, Letra Set y Fibra: Se imprime el diseño del circuito sobre un papel fotográfico con una impresora láser o bien una fotocopiadora. Luego mediante calor el tóner de la impresión se transfiere a la placa. En este método la impresión tiene que ser de buena calidad y el calor debe ser aplicado de forma uniforme.

Métodos de Transferencia del DiseñoLogotipo ó calcomanías:

La elaboración de circuitos impresos mediante logotipo es muy similar a la de dibujo directo, solo que difiere en la forma de impresión.

Esta técnica consiste en colocar sobre la baquelita logotipos (calcomanías) que tienen diversa figuras: pistas y terminales de componentes. Tienen la característica de que inhiben sobre la superficie cubierta la acción corrosiva del cloruro férrico, de esta forma se llegan a obtener circuitos impresos con mejor calidad que con el procedimiento anterior, aunque no deja de ser una forma artesanal de producción. De la misma manera resulta muy difícil llegar a obtener diseños de circuito impresos de mediano tamaño, esta forma de producción es un poco menos económica a la anterior por el costo del logotipo.

Métodos de Transferencia del Diseño Fotográfico: En este método se utilizarán placas ya provistas de una

película fotosensible. El diseño a traspasar previamente grabado en un fotolito se coloca con alta precisión sobre la placa, luego mediante insolación de rayos ultravioleta se polimeriza el fotosensible expuesto. El diseño en el fotolito puede ser positivo o negativo. Una vez realizada la insolación se pasa al revelado de las zonas que no fueron expuestas, quedando así al descubierto el cobre que luego será atacado.

Habiéndose retirado el cobre se debe remover la parte de la películafotosensible expuesta a losrayos ultravioleta quedandocomo resultado el circuitoimpreso deseado.

Film ProtectorFotosensibleCobreSustrato

Transparencia

Rayos UV

Positivo Negativo

Métodos de Transferencia del Diseño Serigrafía: En este método la tinta no

imprime por reporte del cliché sobre el material, sino que lo atraviesa. Se coloca la tinta en la parte superior de la pantalla, y con ayuda de una rasqueta se presiona a través de las mallas que han quedado abiertas en la tela, desplazándola por toda la superficie del cliché, y quedando así aplicada la tinta en el soporte.

Métodos de Transferencia del Diseño Transferencia automatizada de imagen: Tiene como objetivo la

transferencia directa del diseño desde el monitor a la placa real, sin necesidad de utilizar ningún tipo de filmes.

Extracción del cobre mediante máquinas automatizadas: El cobre no deseado sobre el sustrato es

extraído de forma mecánica por una maquina automatizada previamente configurada desde una computadora.

Atacado

Para extraer el cobre no deseado se corroe el cobre mediante un ataque químico.

El atacado químico responde a las siguientes reacciones:

Cobre a extraer de la placa

Tipos de SoldaduraSoldadura por fusión (soldering) o refusión

(reflow) Soldadura blanda

Soldadura dura

Soldadura eutéctica

Soldadura blanda

Por Conducción:

Soldador manual Ola y doble ola Inmersión o baño muerto Placa caliente fija Placa caliente móvil Electrodos Horno de túnel continuo En fase vapor (VPR)

Por convección:

Chorro de aire caliente

Por radiación:

Rayo láser con aporte Rayos infrarrojos Rayos uv

Soldadura por Ola

Soldadura por Doble Ola

Tipos de SoldaduraSoldadura sin fusión (Welding)

Ultrasonidos

Termosónica

Termocomprensión

Rayo láser sin aporteCollage Conductor: Unión Mediante Adhesivos Conductores

Colas epoxídicas

Colas de silicona

Protección de las pistas

Debido a que el cobre se oxida fácilmente con el aire ambiental es necesario protegerlo. Se suelen proteger las pistas con:

Barniz soldable (líquido o aerosol) Aleación de estaño-plomo Dorado del cobre con oro electrolítico Goma Silicosa Poliuretano Acrílico Resina epóxica

¡¡¡¡MUCHAS GRACIAS!!!!