Una placa de circuito impreso ( PCB ), también llamada placa de cableado impreso ( PWB ), es un medio utilizado para conectar o "cablear" componentes entre sí en un circuito . Toma la forma de una estructura tipo sándwich laminada de capas conductoras y aislantes : cada una de las capas conductoras está diseñada con un patrón de trazas, planos y otras características (similares a cables sobre una superficie plana) grabados a partir de una o más capas de láminas de cobre. laminado sobre y/o entre capas laminares de un sustrato no conductor. [1] 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 , para conectarlos eléctricamente y sujetarlos mecánicamente. Otro proceso de fabricación añade vías , orificios pasantes chapados que permiten interconexiones entre capas.
Las placas de circuito impreso se utilizan en casi todos los productos electrónicos. Las alternativas a los PCB incluyen envoltura de alambre y construcción punto a punto , ambas alguna vez populares pero que ahora rara vez se usan. Los PCB requieren un esfuerzo de diseño adicional para diseñar el circuito, pero la fabricación y el ensamblaje se pueden automatizar. Hay software de automatización de diseño electrónico disponible para realizar 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 una gran cantidad de PCB al mismo tiempo y el diseño solo debe realizarse una vez. Los PCB también se pueden fabricar manualmente en pequeñas cantidades, con beneficios reducidos. [2]
Los PCB pueden ser de una cara (una capa de cobre), de dos caras (dos capas de cobre en ambos lados de una capa de sustrato) o de varias capas (capas exterior e interior de cobre, alternadas con capas de sustrato). Los PCB multicapa permiten una densidad de componentes mucho mayor, porque de lo contrario las pistas de circuito en las capas internas ocuparían espacio de superficie entre los componentes. El aumento de la popularidad de los PCB multicapa con más de dos, y especialmente con más de cuatro, planos de cobre fue simultáneo con la adopción de la tecnología de montaje en superficie . Sin embargo, los PCB multicapa hacen que la reparación, el análisis y la modificación de circuitos en campo 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 [3] y se estima que alcanzará los 79.000 millones de dólares en 2024. [4] [5]
Antes del desarrollo de las placas de circuito impreso, los circuitos eléctricos y electrónicos se cableaban punto a punto en un chasis. Normalmente, el chasis era un marco o bandeja de chapa de metal, a veces con un fondo de madera. Los componentes se fijaban al chasis, generalmente mediante aisladores cuando el punto de conexión en el chasis era metálico, y luego sus cables se conectaban directamente o con cables de puente mediante soldadura o, a veces, usando conectores engarzados , terminales de conector de cables en terminales de tornillo u otros métodos. . Los circuitos eran grandes, voluminosos, pesados y relativamente frágiles (incluso descontando las envolturas de vidrio rompibles de los tubos de vacío que a menudo se incluían en los circuitos), y la producción requería mucha mano de obra, por lo que los productos eran 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 lámina plana laminados sobre un tablero aislante, en múltiples capas. Thomas Edison experimentó con métodos químicos para recubrir conductores sobre papel de lino en 1904. Arthur Berry patentó en 1913 un método de impresión y grabado en el Reino Unido, y en Estados Unidos Max Schoop obtuvo una patente [6] para rociar metal con llama sobre metales. un tablero a través de una máscara estampada. Charles Ducas en 1925 patentó un método de galvanoplastia de patrones de circuitos. [7]
Antes de la invención del circuito impreso, y similar en espíritu, fue el equipo de fabricación de circuitos electrónicos (ECME) de John Sargrove de 1936-1947 que rociaba metal sobre una placa de plástico de baquelita . La ECME podría producir tres paneles de radio por minuto.
El ingeniero austriaco Paul Eisler inventó el circuito impreso como parte de un aparato de radio mientras trabajaba en el Reino Unido alrededor de 1936. En 1941 se utilizó un circuito impreso multicapa en las minas navales alemanas de influencia magnética .
Alrededor de 1943, Estados Unidos comenzó a utilizar esta tecnología a gran escala para fabricar espoletas de proximidad para su uso en la Segunda Guerra Mundial. [7] Tales espoletas requerían un circuito electrónico que pudiera resistir el disparo de un arma y que pudiera producirse en cantidad. La División Centralab de Globe Union presentó una propuesta que cumplía los requisitos: se serigrafiaría una placa cerámica con pintura metálica para los conductores y material de carbono para las resistencias , con condensadores de disco cerámicos y tubos de vacío subminiatura soldados en su lugar. [8] La técnica demostró ser viable y la patente resultante sobre el proceso, que fue clasificada por el ejército de los EE. UU., fue asignada 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 impresos y conductores sobre un sustrato aislante común. Rubinstein fue honrado en 1984 por su alma mater, la Universidad de Wisconsin-Madison , por sus innovaciones en la tecnología de circuitos electrónicos impresos y la fabricación de condensadores. [9] [10] 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.
En 1948, Estados Unidos lanzó el invento para uso comercial. Los circuitos impresos no se convirtieron en algo común en la electrónica de consumo hasta mediados de la década de 1950, después de que el ejército de los Estados Unidos desarrollara el proceso de Auto-Ensamble . Aproximadamente al mismo tiempo, en el Reino Unido, Geoffrey Dummer , entonces en el RRDE , llevó a cabo un trabajo similar .
Motorola fue uno de los primeros líderes en llevar el proceso a la electrónica de consumo y anunció en agosto de 1952 la adopción de "circuitos chapados" en radios domésticas después de seis años de investigación y una inversión de 1 millón de dólares. [11] Motorola pronto comenzó a utilizar su término registrado para el proceso, PLAcir, en sus anuncios de radio para consumidores. [12] Hallicrafters lanzó su primer producto de circuito impreso "fotograbado", un radio reloj, el 1 de noviembre de 1952. [13]
Incluso cuando las placas de circuito estuvieron disponibles, el método de construcción de chasis punto a punto siguió siendo de uso común en la industria (como en televisores y equipos de alta fidelidad) al menos hasta finales de la década de 1960. Se introdujeron placas de circuito impreso para reducir el tamaño, el peso y el costo de las partes del circuito. En 1960, se podía construir un pequeño receptor de radio de consumo 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 conductores y una PCB 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 PCB. Este método de ensamblaje se llama construcción con orificios pasantes . En 1949, Moe Abramson y Stanislaus F. Danko del Cuerpo de Señales del Ejército de los Estados Unidos desarrollaron el proceso de Autoensamblaje 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 estadounidense. [14] Con el desarrollo de las técnicas de laminación y grabado 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 podría realizarse automáticamente pasando la placa sobre una ondulación u onda de soldadura fundida en una máquina de soldadura por ola . Sin embargo, los alambres y los agujeros son ineficientes ya que perforar los 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 con orificios pasantes; Esto ha dado lugar a placas más pequeñas para una funcionalidad determinada y a menores costes de producción, pero con cierta dificultad adicional a la hora de reparar las placas defectuosas.
En la década de 1990 se hizo más frecuente el uso de tableros de superficie multicapa. Como resultado, se minimizó aún más el tamaño y se incorporaron PCB tanto flexibles como rígidos en diferentes dispositivos. En 1995, los fabricantes de PCB comenzaron a utilizar la tecnología de microvía para producir PCB de interconexión de alta densidad (HDI). [15]
Los avances recientes en la impresión 3D han significado que existan 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, los caminos entre componentes pueden ser más cortos. Los HDI utilizan vías ciegas/enterradas, o una combinación que incluye microvías. Con los PCB HDI multicapa, la interconexión de varias vías apiladas una encima de otra (vías apiladas, en lugar de una vía enterrada profundamente) se puede fortalecer, mejorando así la confiabilidad en todas las condiciones. Las aplicaciones más comunes de la tecnología HDI son componentes de computadoras y teléfonos móviles, así como equipos médicos y equipos de comunicaciones militares. Una PCB de microvía HDI de 4 capas tiene una calidad equivalente a una PCB de orificio pasante de 8 capas, por lo que la tecnología HDI puede reducir costos.
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 como áreas conductoras sólidas para blindaje electromagnético u otros fines. Las pistas funcionan como cables fijados en su lugar y están aislados entre sí por el aire y el material del sustrato del tablero. La superficie de una PCB puede tener un revestimiento que protege el cobre de la corrosión y reduce las posibilidades de que se produzcan cortocircuitos de soldadura entre pistas o contacto eléctrico no deseado con cables desnudos sueltos. Por su función de ayudar a prevenir cortocircuitos de soldadura, el recubrimiento se llama resistencia a la soldadura o máscara de soldadura .
El patrón que se grabará en cada capa de cobre de una PCB se denomina "obra de arte". El grabado generalmente se realiza utilizando fotorresistente que se recubre sobre 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. Luego se limpia el tablero grabado. Un diseño de PCB se puede reproducir en masa de forma similar a como se pueden duplicar en masa fotografías a partir de negativos de película utilizando una impresora fotográfica .
El epoxi para 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 PCB no tiene componentes instalados, se la denomina de manera menos ambigua placa de cableado impreso ( PWB ) o placa de cableado grabada . [16] Sin embargo, el término "placa de cableado impreso" ha caído en desuso. Una PCB repleta de componentes electrónicos se denomina conjunto de circuito impreso ( PCA ), conjunto de placa de circuito impreso o conjunto de PCB ( PCBA ). En el uso informal, el término "placa de circuito impreso" comúnmente significa "conjunto de circuito impreso" (con componentes). El término preferido del IPC para una placa ensamblada es ensamblaje de tarjeta de circuito ( CCA ), [17] y para un backplane ensamblado es ensamblaje de backplane . "Tarjeta" es otro término informal ampliamente utilizado para un "conjunto de circuito impreso". Por ejemplo, tarjeta de expansión .
Una PCB puede imprimirse con una leyenda que identifique los componentes, los puntos de prueba o un texto identificativo. 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.
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 de la placa. El uso de más capas permite más opciones de enrutamiento y un mejor control de la integridad de la señal, pero su fabricación también requiere mucho tiempo y es costosa. Del mismo modo, la selección de las vías para la placa también permite un 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 la producción.
Uno de los tableros más sencillos de producir es el tablero de dos capas. Tiene cobre en ambos lados que se denominan capas externas; Los 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 utiliza como plano de tierra o plano de potencia, para lograr una mejor integridad de la señal, frecuencias de señalización más altas y EMI más baja. y un mejor desacoplamiento de la fuente de alimentación.
En los tableros multicapa, las capas de material se laminan entre sí en un sándwich alterno: cobre, sustrato, cobre, sustrato, cobre, etc.; se graba cada plano de cobre y se recubren todas las vías internas (que no se extenderán a ambas superficies exteriores del tablero multicapa terminado), antes de laminar las capas juntas. Sólo es necesario recubrir las capas exteriores; las capas internas de cobre están protegidas por las capas de sustrato adyacentes.
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Los componentes de "orificio pasante" se montan pasando sus cables a través de la placa y soldados a las pistas del otro lado. Los componentes de "montaje en superficie" están unidos por sus cables a pistas de cobre en el mismo lado de la placa. Una placa puede utilizar ambos métodos para montar componentes. Los PCB con componentes montados únicamente a través de orificios ahora son poco comunes. El montaje en superficie se utiliza para transistores , diodos , chips CI , resistencias y condensadores. Se puede utilizar el montaje mediante orificio pasante para algunos componentes grandes, como condensadores y conectores electrolíticos .
Los primeros PCB utilizaban tecnología de orificio pasante , montando componentes electrónicos mediante cables insertados a través de orificios en un lado de la placa y soldados a pistas de cobre en el otro lado. Las placas pueden ser de una sola cara, con un lado del componente sin chapar, o placas más compactas de doble cara, con componentes soldados en ambos lados. La instalación horizontal de piezas de orificio pasante con dos cables axiales (como resistencias, condensadores y diodos) se realiza doblando los cables 90 grados en la misma dirección, insertando la pieza en la placa (a menudo doblando los cables ubicados en la parte posterior de la tablero en direcciones opuestas para mejorar la resistencia mecánica de la pieza), soldar los cables y recortar los extremos. Los cables se pueden soldar manualmente o mediante una máquina de soldadura por ola . [18] La fabricación con orificios pasantes aumenta el costo del tablero al requerir que se taladren muchos orificios con precisión y limita el área de enrutamiento disponible para los rastros de señales en las capas inmediatamente debajo de la capa superior en tableros multicapa, ya que los orificios deben pasar a través de todos capas hacia el lado opuesto. Una vez que se empezó a utilizar el montaje en superficie, siempre que fue posible se utilizaron componentes SMD de pequeño tamaño, con montaje a través de orificios únicamente de componentes no adecuados para montaje en superficie debido a requisitos de energía o limitaciones mecánicas, o sujetos a tensión mecánica que podría dañar la PCB. (por ejemplo, levantando el cobre de la superficie del tablero). [ cita necesaria ]
La tecnología de montaje en superficie surgió en la década de 1960, cobró impulso a principios de la década de 1980 y se utilizó ampliamente a mediados de la década de 1990. Los componentes se rediseñaron mecánicamente para que tuvieran pequeñas pestañas metálicas o tapas finales que pudieran soldarse directamente sobre la superficie de la PCB, en lugar de cables que pasaran a través de los orificios. Los componentes se volvieron mucho más pequeños y la colocación de componentes en ambos lados de la placa se volvió más común que con el montaje a través de orificios, lo que permitió conjuntos 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 con orificios pasantes. Los componentes se pueden suministrar montados sobre cintas transportadoras. Los componentes de montaje en superficie pueden tener entre un cuarto y una décima parte del tamaño y peso de los componentes con orificios pasantes, y los componentes pasivos son mucho más baratos. Sin embargo, los precios de los dispositivos semiconductores de montaje en superficie (SMD) están determinados más por el chip en sí que por el paquete, con poca ventaja de precio sobre paquetes más grandes, y algunos componentes con extremos de cable, como los diodos interruptores de pequeña señal 1N4148 , son en realidad significativamente más baratos. que los equivalentes SMD.
Cada rastro 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 suficientemente baja para la corriente que transportará el conductor. Es posible que las trazas de energía y tierra deban ser más anchas que las de señal. En una placa multicapa, una capa completa puede ser principalmente de cobre sólido para actuar como plano de tierra para blindaje y retorno de energía. Para los circuitos de microondas , las líneas de transmisión se pueden disponer en forma plana, como una línea de banda o una microcinta , con dimensiones cuidadosamente controladas para asegurar una impedancia constante . En los circuitos de radiofrecuencia y de conmutación rápida, la inductancia y la capacitancia de los conductores de la placa de circuito impreso se convierten en elementos importantes del circuito, normalmente no deseados; por el contrario, se pueden utilizar como parte deliberada del diseño del circuito, como en filtros de elementos distribuidos , antenas y fusibles , obviando la necesidad de componentes discretos adicionales. Las PCB de interconexión de alta densidad (HDI) tienen pistas y/o vías con un ancho o diámetro inferior a 152 micrómetros. [19]
Los laminados se fabrican curando capas de tela o papel con resina termoestable bajo presión y calor para formar una pieza final integral de espesor uniforme. Pueden tener hasta 4 por 8 pies (1,2 por 2,4 m) de ancho y largo. Se utilizan diferentes tejidos de tela (hilos por pulgada o cm), espesor de la 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. [20]
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 cual el laminado es retardante del fuego , 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 la Z- coeficiente de expansión del eje (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 el politetrafluoroetileno (Teflón), FR-4, FR-1, CEM-1 o CEM-3. Los materiales preimpregnados bien conocidos utilizados en la industria de PCB son FR-2 (papel de algodón fenólico), FR-3 (papel de algodón y epoxi), FR-4 (vidrio tejido y epoxi), FR-5 (vidrio tejido y epoxi). , FR-6 (vidrio mate y poliéster), G-10 (vidrio tejido y epoxi), CEM-1 (papel de algodón y epoxi), CEM-2 (papel de algodón y epoxi), CEM-3 (vidrio no tejido y epoxi), CEM-4 (vidrio tejido y epoxi), CEM-5 (vidrio tejido y poliéster). La expansión térmica es una consideración importante, especialmente con las tecnologías de matriz de rejilla de bolas (BGA) y matriz desnuda, y la fibra de vidrio ofrece la mejor estabilidad dimensional.
El FR-4 es, con diferencia, el material más utilizado en la actualidad. El tablero con cobre sin grabar se llama "laminado revestido de cobre".
Con el tamaño decreciente de las características del tablero y el aumento de las frecuencias, están ganando importancia pequeñas no homogeneidades como la distribución desigual de la fibra de vidrio u otro relleno, las variaciones de espesor y las burbujas en la matriz de resina, y las variaciones locales asociadas en la constante dieléctrica.
Los sustratos de las placas de circuito suelen ser materiales compuestos dieléctricos. Los compuestos contienen una matriz (normalmente una resina epoxi) y un refuerzo (normalmente fibras de vidrio tejidas, a veces no tejidas, a veces incluso papel) y, en algunos casos, se añade un relleno a la resina (por ejemplo, cerámica; se pueden utilizar cerámicas de titanato). para aumentar la constante dieléctrica).
El tipo de refuerzo define dos clases principales de materiales: tejidos y no tejidos. Los refuerzos tejidos son más baratos, pero la alta constante dieléctrica del vidrio puede no ser favorable para muchas aplicaciones de alta frecuencia. La estructura espacialmente no homogénea también introduce variaciones locales en los parámetros eléctricos, debido a la diferente relación resina/vidrio en diferentes áreas del patrón de tejido. Los refuerzos no tejidos, o 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 entonces una sobrecarga mecánica en los componentes de la placa, por ejemplo, las juntas y las vías. Por debajo de T g la expansión térmica de la resina coincide aproximadamente con la del cobre y el vidrio, por encima es significativamente mayor. A medida que el refuerzo y el cobre confinan el tablero a lo largo del plano, prácticamente toda la expansión de volumen se proyecta al espesor y tensiona los orificios pasantes chapados. La soldadura repetida u otra exposición a temperaturas más altas puede provocar fallas en el revestimiento, especialmente en placas más gruesas; 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 y generalmente 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 aplicaciones de banda ancha; Aquí es importante una constante dieléctrica versus características de frecuencia lo más planas posible. La impedancia de las líneas de transmisión disminuye con la frecuencia, por lo tanto, los bordes más rápidos de las señales reflejan más que los más lentos.
El voltaje de ruptura dieléctrica determina el gradiente de voltaje máximo al que puede estar sometido el material antes de sufrir una ruptura (conducción o arco a través del dieléctrico).
La resistencia de seguimiento determina cómo el material resiste las descargas eléctricas de alto voltaje que se arrastran sobre la superficie del tablero.
La tangente de pérdida determina cuánta energía electromagnética de las señales en los conductores se absorbe en el material de la placa. Este factor es importante para las altas frecuencias. Los materiales de bajas pérdidas son más caros. Elegir material innecesariamente con bajas pérdidas es un error de ingeniería común en el diseño digital de alta frecuencia; aumenta el costo de las placas sin el beneficio correspondiente. La degradación de la señal por la tangente de pérdida y la constante dieléctrica se puede evaluar fácilmente mediante un patrón ocular .
La absorción de humedad ocurre cuando el material está expuesto a alta humedad o agua. Tanto la resina como el refuerzo pueden absorber agua; El agua también puede ser empapada por fuerzas capilares a través de huecos en los materiales y a 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 del 0,01%. Por otro lado, las poliimidas y los ésteres de cianato sufren una alta absorción de agua. El agua absorbida puede provocar 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 placas de circuitos comunes. La humedad absorbida también puede vaporizarse al calentarse, como durante la soldadura, y provocar grietas y delaminación, [21] el mismo efecto responsable del daño por "popcorning" en los embalajes húmedos de piezas electrónicas. Es posible que sea necesario hornear cuidadosamente los sustratos para secarlos antes de soldarlos. [22]
Materiales que se encuentran con frecuencia:
Materiales que se encuentran con menos frecuencia:
El espesor 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 equivale a 1,344 mils o 34 micrómetros de espesor. El cobre pesado es una capa que excede las tres onzas de cobre por pie cuadrado , o aproximadamente 0,0042 pulgadas (4,2 mils, 105 μm) de espesor. Se utilizan capas pesadas de cobre para corrientes elevadas o para ayudar a disipar el calor.
En los sustratos FR-4 comunes, el espesor más común es 1 onza de cobre por pie cuadrado (35 µm); Un espesor de 2 oz (70 µm) y 0,5 oz (17,5 µm) suele ser una opción. Menos comunes son 12 y 105 µm; a veces, 9 µm está disponible en algunos sustratos. Los sustratos flexibles suelen tener una metalización más fina. Las placas con núcleo metálico para dispositivos de alta potencia suelen utilizar cobre más grueso; Lo habitual es 35 µm, pero también se pueden encontrar 140 y 400 µm.
En los EE. UU., el espesor de la lámina de cobre se especifica en unidades de onzas por pie cuadrado (oz/ft 2 ), comúnmente denominada simplemente onza . Los espesores comunes son 1/2 oz/pie 2 (150 g/m 2 ), 1 oz/pie 2 (300 g/m 2 ), 2 oz/pie 2 (600 g/m 2 ) y 3 oz/pie 2 (900 g/m2 ) . Estos funcionan con espesores 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/pie 2 no se usa ampliamente como peso de cobre terminado, pero se usa para capas exteriores cuando el revestimiento para orificios pasantes aumentará el peso de cobre terminado. Algunos fabricantes de PCB se refieren a que la lámina de cobre de 1 oz/pie 2 tiene una espesor de 35 μm (también puede denominarse 35 μ, 35 micrones o 35 micrones).
La fabricación comienza a partir de 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:
Inicialmente, los PCB se diseñaban manualmente creando una fotomáscara en una hoja de mylar transparente , generalmente de dos o cuatro veces el tamaño real. A partir del diagrama esquemático, las almohadillas de los 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. Las huellas se realizaron con cinta autoadhesiva. Las cuadrículas preimpresas que no se reproducen en mylar ayudaron en el diseño. La fotomáscara terminada se reprodujo fotolitográficamente sobre un revestimiento fotorresistente sobre los tableros en blanco revestidos de cobre.
Los PCB modernos se diseñan con software de diseño dedicado, generalmente en los siguientes pasos: [30] [31]
Se pueden agrupar varias placas de circuito impreso pequeñas para procesarlas como un panel. Un panel que consta de un diseño duplicado n veces también se denomina n -panel, mientras que un panel múltiple combina varios diseños diferentes en un solo panel. La tira de herramientas exterior a menudo incluye orificios para herramientas, un conjunto de fiduciales del panel , un cupón de prueba y puede incluir un vertido de cobre rayado o patrones similares para una distribución uniforme del cobre en todo el panel para evitar que se doble. Los ensambladores suelen montar 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 montaje. La mayoría de los talleres de montaje requieren un área libre de al menos 10 mm alrededor del tablero.
Finalmente, el panel se divide en PCB individuales a lo largo de perforaciones o ranuras en el panel [33] mediante fresado o corte. En el caso de paneles fresados, la distancia habitual entre las tablas individuales es de 2 a 3 mm. Hoy en día, el depaneling se realiza a menudo mediante láseres que cortan el tablero sin contacto. La eliminación de paneles por láser reduce la tensión en los circuitos frágiles, mejorando el rendimiento de unidades libres de defectos.
El primer paso es replicar el patrón en el sistema CAM del fabricante en una máscara protectora sobre las capas de PCB de lámina de cobre. El grabado posterior elimina el cobre no deseado que no está protegido por la máscara. (Como alternativa, se puede inyectar tinta conductora sobre una placa en blanco (no conductora). Esta técnica también se utiliza en la fabricación de circuitos híbridos ).
El método elegido depende del número de placas a producir y de la resolución requerida.
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 la placa se sumerge en una solución de grabado como el cloruro férrico. En comparación con los métodos utilizados para la producción en masa, el tiempo de grabado es largo. Se puede aplicar calor y agitación al baño para acelerar la velocidad de grabado. En el grabado con burbujas, se hace pasar 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 las tablas con grabador; El proceso se ha vuelto obsoleto comercialmente ya que no es tan rápido como el grabado por pulverización. En el grabado por pulverización, la solución decapante se distribuye sobre las tablas 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. [35] A medida que se consume más cobre de las tablas, el grabador se satura y es menos efectivo; Diferentes grabadores tienen diferentes capacidades para el cobre, 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 en la eliminación del agente decapante usado, que es corrosivo y tóxico debido a su contenido metálico. [36] El grabador elimina el cobre en todas las superficies no protegidas por la resistencia. El "socavado" 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 socavados. Cuando se utiliza revestimiento metálico como resistencia, puede "sobresalir", lo que puede causar cortocircuitos entre pistas adyacentes cuando están muy juntas. El saliente se puede eliminar cepillando el tablero con un cepillo de alambre después del grabado. [35]
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 obtienen imágenes (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 similar al utilizado para el revestimiento de orificios pasantes, lo que hace que el área expuesta sea capaz de unir iones metálicos. Luego, el laminado se recubre con cobre en las áreas sensibilizadas. Cuando se quita la máscara, la PCB está terminada.
El semiaditivo es el proceso más común: el tablero sin patrón ya tiene una fina capa de cobre. Luego se aplica una máscara inversa. (A diferencia de una máscara de proceso sustractiva, esta máscara expone aquellas partes del sustrato que eventualmente se convertirán en rastros). Luego se aplica cobre adicional sobre el tablero en las áreas no enmascaradas; El cobre se puede recubrir con cualquier peso deseado. Luego se aplican revestimientos de estaño-plomo u otros revestimientos superficiales. Se quita la máscara y un breve paso de grabado elimina del tablero el laminado de cobre original desnudo ahora expuesto, aislando los rastros individuales. De esta manera se fabrican algunos tableros de una sola cara que tienen orificios pasantes chapados. General Electric fabricó aparatos de radio de consumo a finales de la década de 1960 utilizando placas de 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 suele realizarse con persulfato de amonio o cloruro férrico . Para PTH (orificios pasantes revestidos), se realizan pasos adicionales de deposición no eléctrica después de perforar los orificios, luego se galvaniza el cobre para aumentar el espesor, se protegen las placas y se recubren con estaño/plomo. El estaño/plomo se convierte en la resistencia y deja que el cobre desnudo se elimine. [37]
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 PCB de cuatro capas comenzando con un laminado revestido de cobre de dos caras, grabando los circuitos en ambos lados y luego laminando la lámina de cobre y preimpregnado superior e inferior. Luego se perfora, se recubre y se graba nuevamente para dejar rastros en las capas superior e inferior. [38]
Las capas internas se someten a una inspección mecánica completa antes de la laminación porque los errores no se pueden corregir después. Las máquinas de inspección óptica automática (AOI) comparan una imagen del tablero con la imagen digital generada a partir de los datos de diseño originales. Las máquinas de modelado óptico automatizado (AOS) pueden luego agregar el cobre faltante o eliminar el exceso de cobre mediante un láser, lo que reduce la cantidad de PCB que deben desecharse. [39] [40] [41] Las pistas de PCB pueden tener un ancho de sólo 10 micrómetros.
Los agujeros a través de una PCB generalmente se perforan con brocas recubiertas con carburo de tungsteno . Se utiliza carburo de tungsteno recubierto porque los materiales de las placas son abrasivos. Las brocas de acero rápido se desafilaban rápidamente, rasgaban el cobre y arruinaban el tablero. La perforación se realiza mediante máquinas perforadoras controladas por computadora, utilizando una lima de perforación o una lima Excellon que describe la ubicación y el tamaño de cada orificio perforado.
Los agujeros pueden hacerse conductores, mediante galvanoplastia o insertando ojales metálicos huecos, para conectar las capas de tablero. Algunos orificios conductores están destinados a la inserción de cables de componentes con orificios pasantes. Otras utilizadas para conectar capas de placa, se denominan vías .
Cuando se requieren vías con un diámetro menor a 76,2 micrómetros, la perforación con brocas mecánicas es imposible debido a las altas tasas de desgaste y rotura. En este caso, las vías pueden perforarse con láser (evaporarse mediante láseres) . 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. [42] [43]
También es posible, mediante perforación de profundidad controlada , perforación láser o preperforación de las hojas individuales de la PCB antes de la laminación, producir agujeros que conecten solo algunas de las capas de cobre, en lugar de atravesar toda la placa. Estos orificios 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 perforadoras láser pueden perforar miles de agujeros por segundo y pueden utilizar láseres UV o CO 2 . [44] [45]
Las paredes de los orificios para tableros con dos o más capas se pueden hacer conductoras y luego galvanizarlas con cobre para formar orificios pasantes . Estos orificios conectan eléctricamente las capas conductoras de la PCB.
Para tableros multicapa, aquellos con tres capas o más, la perforación normalmente produce una mancha de los productos de descomposición a alta temperatura del agente adhesivo en el sistema laminado. Antes de poder recubrir los orificios, esta mancha debe eliminarse mediante un proceso químico de eliminación de manchas o mediante grabado con plasma . El proceso de eliminación de manchas garantiza que se realice una buena conexión con las capas de cobre cuando se recubre el orificio. En tableros de alta confiabilidad, se realiza químicamente un proceso llamado grabado posterior con un grabador a base de permanganato de potasio o grabado con plasma. El grabado posterior elimina la resina y las fibras de vidrio de modo que las capas de cobre se extienden hacia el interior del orificio y, a medida que el orificio se recubre, se vuelven integrales con el cobre depositado.
La selección adecuada del revestimiento o del acabado superficial puede ser fundamental para el rendimiento del proceso, la cantidad de retrabajo, la tasa de fallas en el campo y la confiabilidad. [46]
Los PCB pueden revestirse con soldadura, estaño u oro sobre níquel. [47] [48]
Después de grabar los PCB y luego enjuagarlos con agua, se aplica la máscara de soldadura y luego el cobre expuesto se recubre con soldadura, níquel/oro o algún otro recubrimiento anticorrosión. [49]
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 chapados, 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 con 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 SN100CL, compuesto por 99,3% de estaño, 0,7% de cobre, 0,05% de níquel y un nominal de 60 ppm de germanio. [ cita necesaria ]
Es importante utilizar soldadura compatible tanto con la PCB como con las piezas utilizadas. Un ejemplo es el sistema de rejilla de bolas (BGA) que utiliza bolas de soldadura de estaño y plomo para conexiones que pierden sus bolas en rastros de cobre desnudo o que usan pasta de soldadura sin plomo.
Otros enchapados utilizados son el conservante orgánico de soldabilidad (OSP), la plata por inmersión (IAg), el estaño por inmersión (ISn), el revestimiento de oro por inmersión en níquel químico (ENIG), el oro por inmersión en paladio químico (ENEPIG) y el enchapado en oro directo (sobre níquel). . Los conectores de borde , colocados a lo largo de un borde de algunas placas, suelen estar niquelados y luego dorados usando ENIG. Otra consideración del recubrimiento es la rápida difusión del metal recubierto en la soldadura de estaño. El estaño forma intermetálicos como Cu 6 Sn 5 y Ag 3 Cu que se disuelven en el estaño líquido o sólido (a 50 °C), quitando el revestimiento de la superficie o dejando huecos.
La 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. [50] [51] Se sabe que a la plata, el zinc y el aluminio les crecen bigotes bajo la influencia de un campo eléctrico. La plata también crece en trayectorias superficiales conductoras en presencia de haluro y otros iones, lo que la convierte en una mala elección para uso electrónico. Al estaño le crecerán "bigotes" debido a la tensión en la superficie chapada. Al revestimiento de estaño-plomo o soldadura también le crecen bigotes, que solo se reducen al reducir el porcentaje de estaño. El reflujo para derretir soldadura o hojalata para aliviar la tensión de la superficie reduce la incidencia de los bigotes. Otro problema del recubrimiento es la plaga del estaño , la transformación del estaño en un alótropo en polvo a baja temperatura. [52]
Las áreas que no deben soldarse pueden cubrirse con resistencia a la soldadura ( máscara de soldadura ). La máscara de soldadura es la que 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 utilizan en la actualidad se llama "LPI" ( máscara de soldadura líquida fotoimagen ). [53] Se aplica un recubrimiento fotosensible a la superficie de la PWB, luego se expone a la luz a través de la película de imagen de 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 utilizada para crear imágenes de la PWB para enchapado o grabado. Después de ser laminada a la superficie PWB, se toma una imagen 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 resistencia a la soldadura también brinda protección del medio ambiente al cobre que de otro modo estaría expuesto.
Una leyenda (también conocida como seda o serigrafía ) suele estar impresa en uno o ambos lados de la PCB. Contiene los designadores de componentes , configuraciones de interruptores, puntos de prueba y otras indicaciones útiles para ensamblar, probar, reparar y, a veces, usar la placa de circuito.
Hay tres métodos para imprimir la leyenda:
Las placas sin componentes instalados generalmente se prueban en placa desnuda para detectar "cortocircuitos" y "aperturas". Esto se llama prueba eléctrica o prueba electrónica de PCB . Un corto es una conexión entre dos puntos que no deberían estar conectados. Una apertura es una conexión faltante entre puntos que deberían estar conectados. Para una producción de gran volumen, un dispositivo como un "lecho de clavos" en un adaptador de aguja rígido hace contacto con las superficies de cobre del tablero. El accesorio o adaptador supone un coste fijo importante y este método sólo es económico para producciones de gran volumen o de alto valor. Para producción de volumen pequeño o mediano, se utilizan probadores de sondas voladoras donde las sondas de prueba se mueven sobre el tablero mediante un accionamiento XY para hacer contacto con las tierras de cobre. No hay necesidad de ningún accesorio y, por tanto, los costes fijos son mucho menores. El sistema CAM indica al probador eléctrico que aplique un voltaje a cada punto de contacto según sea necesario y que verifique que este voltaje aparezca en los puntos de contacto apropiados y solo en estos.
En el ensamblaje, la placa desnuda se llena (o "rellena") con componentes electrónicos para formar un conjunto de circuito impreso (PCA) funcional, a veces llamado "conjunto de placa de circuito impreso" (PCBA). [54] [55] En la tecnología de orificio pasante , los cables de los componentes se insertan en orificios rodeados por almohadillas conductoras ; los agujeros mantienen los componentes en su lugar. En la tecnología de montaje superficial (SMT), el componente se coloca en la PCB de modo que las clavijas se alineen con las almohadillas conductoras o aterricen en las superficies de la PCB; la pasta de soldadura, 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 del tablero, los componentes del lado inferior se pegan al tablero. Tanto en el orificio pasante como en el montaje en 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 PCB. La producción de gran volumen generalmente se realiza con una máquina de recogida y colocación y soldadura por ola masiva para piezas con orificios pasantes u hornos de reflujo para componentes SMT y/o piezas con orificios pasantes, pero los técnicos capacitados pueden soldar a mano piezas muy pequeñas ( por ejemplo, paquetes 0201 que miden 0,02 pulgadas por 0,01 pulgadas) [56] bajo un microscopio , usando pinzas y un soldador de punta fina , para prototipos de pequeño volumen. Se puede utilizar soldadura selectiva para piezas delicadas. Algunas piezas SMT no se pueden soldar a mano, como los paquetes BGA . Todos los componentes de orificio pasante se pueden soldar a mano, lo que los hace preferidos para la creación de prototipos donde el tamaño, el peso y el uso de los componentes exactos que se usarían en una producción de gran volumen no son preocupaciones.
A menudo, la construcción con orificio pasante y montaje en superficie debe combinarse en un solo conjunto porque algunos componentes requeridos están disponibles solo en paquetes de montaje en superficie, mientras que otros solo están disponibles en paquetes con 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 utilizar ambos métodos es que el montaje a través de orificios puede proporcionar la resistencia necesaria para los componentes que probablemente soporten estrés físico (como conectores que se acoplan y desacoplan con frecuencia o que se conectan a cables que se espera que impartan una tensión sustancial a la placa de circuito impreso y al conector). interfaz), mientras que los componentes que se espera que no se modifiquen ocuparán menos espacio utilizando técnicas de montaje en superficie. Para obtener más comparaciones, consulte la página de SMT .
Una vez que se ha poblado el tablero, se puede probar de varias maneras:
Para facilitar estas pruebas, los PCB pueden diseñarse con almohadillas adicionales para realizar conexiones temporales. A veces estas almohadillas deben aislarse con resistencias. La prueba en circuito también puede ejercitar las características de prueba de escaneo de límites de algunos componentes. También se pueden utilizar sistemas de prueba en circuito para programar componentes de memoria no volátil en la placa.
En las pruebas de escaneo de límites, los circuitos de prueba integrados en varios circuitos integrados en la placa forman conexiones temporales entre las pistas de PCB para probar que los circuitos integrados están montados correctamente. Las pruebas de escaneo de límites requieren que todos los circuitos integrados que se van a probar utilicen un procedimiento de configuración de prueba estándar, siendo el más común el estándar Joint Test Action Group ( JTAG ). La arquitectura de prueba JTAG proporciona un medio para probar interconexiones entre circuitos integrados en una placa sin utilizar sondas de prueba físicas, mediante el uso de circuitos en los circuitos integrados para emplear los propios pines del CI como sondas de prueba. Los proveedores de herramientas JTAG proporcionan varios tipos de estímulos y algoritmos sofisticados, no solo para detectar las redes defectuosas, sino también para aislar las fallas en redes, dispositivos y pines específicos.
Cuando las placas no pasan la prueba, los técnicos pueden desoldar y reemplazar los componentes defectuosos, una tarea conocida como retrabajo .
Los PCB destinados a entornos extremos suelen tener un recubrimiento conformado , que se aplica mediante inmersión o pulverización después de soldar los componentes. La capa evita la corrosión y las corrientes de fuga o cortocircuitos debidos a la condensación. Las primeras capas conformales fueron cera ; Las capas conformales modernas suelen ser inmersiones de soluciones diluidas de caucho de silicona, poliuretano, acrílico o epoxi. Otra técnica para aplicar un recubrimiento conformal consiste en pulverizar plástico sobre la PCB en una cámara de vacío. La principal desventaja de los recubrimientos conformales es que el mantenimiento de la placa se vuelve extremadamente difícil. [57]
Muchos PCB ensamblados son sensibles a la estática y, por lo tanto, deben colocarse en bolsas antiestáticas durante el transporte. Al manipular estas placas, el usuario debe estar conectado a tierra . Las técnicas de manipulación inadecuadas pueden transmitir una carga estática acumulada a través de la placa, dañando o destruyendo componentes. Es posible que el daño no afecte inmediatamente el funcionamiento, pero podría provocar fallas tempranas en el futuro, causar fallas operativas intermitentes o causar una reducción del rango de condiciones ambientales y eléctricas bajo las cuales la placa funciona correctamente. Incluso las placas desnudas son a veces sensibles a la estática: las trazas se han vuelto tan finas que es posible volar 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 para microondas.
La construcción con cordwood puede ahorrar mucho espacio y a menudo se usaba con componentes con extremos de alambre en aplicaciones donde el espacio era escaso (como espoletas , guía de misiles y sistemas de telemetría) y en computadoras de alta velocidad , donde las trazas cortas eran importantes. En la construcción con leña, los componentes con conexión axial se montaban entre dos planos paralelos. El nombre proviene de la forma en que los componentes de conductores axiales (condensadores, resistencias, bobinas y diodos) se apilan en filas y columnas paralelas, como una pila de leña. Los componentes se soldaron entre sí con un cable de puente o se conectaron a otros componentes mediante una fina cinta de níquel soldada en ángulo recto a los cables del componente. [58] Para evitar cortocircuitos entre diferentes capas de interconexión, se colocaron finas tarjetas aislantes entre ellas. Las perforaciones o agujeros en las tarjetas permitieron que los cables de los componentes se proyectaran hasta la siguiente capa de interconexión. Una desventaja de este sistema era que debían utilizarse componentes especiales con plomo y níquel para poder realizar soldaduras de interconexión fiables. La expansión térmica diferencial del componente podría ejercer presión sobre los cables de los componentes y las pistas 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 madera de leña utilizaban PCB soldadas de un solo lado como método de interconexión (como se muestra en la imagen), lo que permite el uso de componentes con plomo normal a costa de que sea 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 con leña se utilizó sólo en raras ocasiones una vez que los PCB se generalizaron, principalmente en la industria aeroespacial o en otros productos electrónicos de densidad extremadamente alta.
Una PCB mínima para un solo componente, utilizada para la creación de prototipos , se denomina placa de ruptura . El propósito de una placa de conexión es "romper" los cables de un componente en terminales separados para que se puedan realizar fácilmente las conexiones manuales. Las placas de separación 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 condensadores y circuitos integrados, para reducir la cantidad de espacio que ocupan los componentes en la superficie del PCB y al mismo tiempo mejorar las características eléctricas. [59]
Multiwire es una técnica patentada de interconexión que utiliza cables aislados enrutados a máquina e incrustados en una matriz no conductora (a menudo resina plástica). [60] Se utilizó durante las décadas de 1980 y 1990. En 2010, Multiwire todavía estaba disponible a través de Hitachi.
Dado que era bastante fácil apilar interconexiones (cables) dentro de la matriz de incrustación, el enfoque permitió a los diseñadores olvidarse por completo del enrutamiento de los cables (normalmente una operación que requiere mucho tiempo en el diseño de PCB): en cualquier lugar donde el diseñador necesite una conexión, la máquina Dibuja un cable en línea recta desde un lugar/pin a otro. Esto condujo a tiempos de diseño muy cortos (no es necesario utilizar algoritmos complejos incluso para diseños de alta densidad), así como a una reducción de la diafonía (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.
Se pueden realizar correcciones en un diseño de placa multicable más fácilmente que en un diseño de PCB. [61]
Las placas de circuito impreso se han utilizado como alternativa a su uso habitual en 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 la cadena de polimerasa. reacción (PCR) y pilas de combustible, por nombrar algunos. [62]
Es posible que los fabricantes no admitan la reparación a nivel de componente de 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 supone un desperdicio material, ya que una placa de circuito con cientos de componentes funcionales puede ser descartada y reemplazada debido al fallo de una pieza menor y económica, como una resistencia o un condensador. Esta práctica contribuye significativamente al problema de los desechos electrónicos . [63]
En muchos países (incluidos todos los participantes del mercado único europeo , [64] el Reino Unido , [65] 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 y soldadura sin plomo, y los componentes adjuntos deben cumplir con las normas. [66] [67]
El estándar de seguridad UL 796 cubre los requisitos de seguridad de los componentes para placas de cableado impreso para su uso como componentes en dispositivos o electrodomésticos. Las pruebas analizan características como inflamabilidad, temperatura máxima de funcionamiento , seguimiento eléctrico, deflexión del calor y soporte directo de piezas eléctricas vivas.
Medios relacionados con placas de circuito impreso en Wikimedia Commons