¿Has escuchado alguna vez el término PCB, o Placa de circuito integrado? Si no sabes lo que es, nosotros te lo vamos a explicar en este artículo. Mientras lees este artículo, estas rodeado de PCB; tienes varias en tu PC, monitor, ratón y también en tu móvil. Todo elemento electrónico esta construido mediante una PCB, o al menos sus “órganos internos”.
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El uso de las PCB fueron un paso de gigante en la evolución de los dispositivos electrónicos, ya que proporcionó un método innovador para la conexión de elementos sin necesidad de utilizar cables eléctricos. El mundo actual no sería el mismo sin la invención de las PCB, así que veamos que son y cómo se fabrican
Que es una PCB
PCB son las siglas de Placa de Circuito Impreso, pero utilizamos las siglas en inglés (Printed Circuit Board) para no confundirla por ejemplo con las ranuras PCI de nuestro PC.
Pues una PCB básicamente es un soporte físico en donde se instalan componentes electrónicos y eléctricos y se interconectan entre ellos. Estos componentes pueden ser, chips, condensadores, diodos, resistencias, conectores, etc. Si echas un vistazo a un ordenador por dentro, verás que hay múltiples placas planas con un montón de componentes pegados a ella, se trata de una placa base y está compuesta por una PCB y los componentes que hemos citado
Para conectar cada elemento en una PCB utilizamos una serie de pistas conductoras de cobre extremadamente finas y que general un carril, conductor, como si de un cable se tratase. En los circuitos más sencillos, solamente tenemos pistas conductoras en una cara o las dos visibles de la PCB, pero en otros más completos tenemos pistas eléctricas e incluso componentes apilados en múltiples capas de ellas.
El soporte principal para estas pistas y componentes es una combinación de fibra de vidrio reforzada con materiales cerámicos, resinas, plástico y otros elementos no conductores. Aunque actualmente se están utilizado componentes como celuloide y pistas de pintura conductora para fabricar PCB flexibles.
La primera placa de circuito integrado se construyó en 1936 a mano por el ingeniero Paul Eisler para ser utilizada por una radio. A partir de ahí los procesos se automatizaron para su fabricación a gran escala, primero en radios, y luego en todo tipo de componentes.
¿Qué hay dentro de una PCB?
Los circuitos impresos están compuestos por una serie de capas conductoras, al menos los más complejos. Cada una de estas capas conductoras está separada mediante un material aislante que se llama sustrato. Para conectar pistas de distintas capas se utilizan orificios llamados vías que pueden atravesar completamente la PCB o solamente llegar hasta una determinada profundidad.
El sustrato puede ser de distintas composiciones, pero siempre de materiales no conductores para que cada una de las pistas eléctricas lleven su propia señal y voltaje. El más utilizado actualmente se llama Pértinax que básicamente es un papel cubierto de resina, muy fácil de manejar y de mecanizar. Pero en los equipos de altas prestaciones se utiliza un compuesto llamado FR-4 es que un material de fibra de vidrio cubierto de resina resistente al fuego.
Los componentes electrónicos por su parte, irán casi siempre en la zona externa de las PCB, e instalados en ambas caras, para aprovechar al máximo la extensión de ellas. Antes de crear las pistas eléctricas, las distintas capas de la PCB solamente están formadas por el sustrato y unas láminas muy fina de cobre u otro material conductor, y será mediante una máquina similar a una impresora como se crearán éstas y a través de un proceso bastante largo y complejo.
Proceso de creación de la PCB
Ya sabemos de qué están formadas las placas de circuitos integrados, pero sería muy interesante saber cómo se fabrican. Es más, nosotros mismos podremos crear un circuito integrado básico comprando una de estas placas, pero por supuesto el proceso será bastante distinto al que se utiliza en la realidad
Diseño de la PCB mediante software
Todo comienza con el diseño de la PCB, trazando las pistas eléctricas necesarias para conectar los componentes, así como enumerar cuántas capas van a ser necesarias para poder generar todas las conexiones que van a ser necesarias para los componentes.
Este proceso se realiza mediante software de ordenador CAM como por ejemplo TinyCAD o DesignSpark PCB, muy usado en las carreras de ingeniería. No solamente se diseñan las pistas eléctricas, sino que también se crean las distintas etiquetas para enumerar componentes instalados e identificar cada conector.
Se documentarán todos los pasos necesarios del proceso de elaboración para que el fabricante sepa exactamente qué debe hacer cuando se le envíe el proyecto.
Serigrafiado y trazado fotográfico
Una vez diseñada, ahora pasamos directamente al fabricante el proyecto y será donde comience la creación física de una PCB. El proceso siguiente se llama trazado fotográfico, mediante el cual una máquina similar a una impresora (fotoplotter) traza mediante láser un gráfico con las máscaras de conexiones de los elementos electrónicos.
Para ello se utiliza una fina lámina de metal conductor de unas 7 milésimas de pulgada. Estas máscaras servirán luego para determinar dónde van pegados los componentes electrónicos. En los procesos más avanzados, este proceso se hace directamente en la PCB con una impresora que graba con este metal las máscaras de conexión.
Impresión de capas internas
Lo siguiente que se hace es la impresión en la PCB de las distintas pistas eléctricas internas, con un compuesto especial. Se trata de “pintar” un negativo de las pistas eléctricas sobre la lámina para crear un patrón conductor con un material fotosensible o de película seca. Pues bien, esta película que se ha creado, se expone a un láser o luz ultra violeta para retirar el material sobrante y así se creará un negativo del circuito final.
Este proceso se realiza si la PCB dispone de capas internas con pistas conductoras. Además, este proceso luego se repetirá en las capas exteriores de la PCB para crear las pistas de cobre finales y acorde al diseño del circuito.
Inspección y verificación (AOI)
Una vez realizadas las distintas capas de pistas conductoras una máquina se encargará de inspeccionar que todas son correctas y funcionan bien. Esto se hace de forma automatizada comparando el diseño original con la impresión física, para buscar cortocircuitos o pistas partidas.
Película de óxido y laminación
A cada una de las láminas impresas con las pistas conductoras se le realiza un tratamiento de óxido para mejorar las capacidades y durabilidad de las pistas de cobre de cada capa.
Gracias al proceso, se evitará la delaminación de las distintas capas y pistas conductoras en PCB especialmente sensibles o con gran cantidad de componentes como las de los ordenadores.
Lo siguiente que se debe hacer es construir la PCB definitiva, para ello se irán uniendo cada una de las capas de circuito mediante láminas de fibra de vidrio con resina epoxi, Pértinax o cualquier otro método que se utilice. Todo ello irá perfectamente pegado mediante una prensa hidráulica y es así como obtendremos la placa de circuito integrado.
Perforación de orificios
En la totalidad de ocasiones vamos a necesitar realizar una serie de orificios a las PCB mediante taladrado para poder unir las distintas capas y pistas de cobre. También necesitaremos perforaciones completas para poder sujetar elementos electrónicos o distintos conectores o ranuras de expansión.
El proceso de perforación debe ser de una enorme precisión, para conservar la integridad de la PCB, por lo que se utilizan cabezales de carburo tungsteno le material más duro que existe.
Metalizado de los orificios
Para que estos orificios puedan establecer comunicación con las distintas pistas internas, será necesario un proceso de chapado con una fina película de cobre para proporcionar la conductividad necesaria. Estos chapados serán de entre 40 y 60 millonésimas de pulgada.
La PCB ya está preparada para trazar las pistas de cobre sobre las caras exteriores de ella.
Película exterior de pistas y galvanoplastia
Ahora pasamos a crear las pistas conductoras del exterior, y para ello vamos a seguir el mismo procedimiento que para crear las pistas internas. Primero creamos la película seca en forma de negativo del circuito final. Luego, mediante un láser, se crean los espacios en donde el cobre se va a depositar para crear las pistas conductoras.
Y a continuación la PCB se someterá a un proceso de galvanoplastia, que consiste en pegar el cobre en las zonas libres de lámina seca y así formar las pistas eléctricas de la PCB. La PCB se coloca en un baño de cobre y éste de adherirá mediante electrólisis a los patrones conductores para crear pistas de un grosor de tan solo 0,001 pulgadas.
Luego se le añadirá otra capa de estaño encima de la de cobre para proteger éste ataque químico cuando se vayamos al proceso SES o “strip-etch-strip”
Strip etch strip
Este es penúltimo paso, se va a eliminar el cobre sobrante de la PCB, el sobrante será el que no hemos bañado de estaño. De esta forma solamente quedará el cobre protegido con estaño.
Posteriormente debemos de retirar también el estaño mediante un tratamiento químico para finalmente dejar solo las pistas de cobre que finalmente van a ser las que van a conectar componentes y trasportar la electricidad.
Ahora otro proceso de AOI verificará que todo está correcto para finalmente grabar la máscara y la leyenda.
Mascara de soldadura y leyenda
Finalmente, a la placa de circuito electrónico se le aplicará una máscara de soldadura para que posteriormente sea posible soldar los componentes a las pistas correctamente y justamente en el sitio donde deben ir.
Luego también se imprime la leyenda compuesta la información que el diseñador haya querido proporcionar el la PCB, como nombre de conectores, código de elementos, etc. Además, también se efectuará el diseño final de la PCB con los colores que el fabricante quiera darle, tal y como vemos en las placas base gaming, etc.
Soldadura de componentes y pruebas finales
La PCB está lista y solamente quedará añadir los componentes mediante brazos robots de alta precisión, y las correspondientes ranuras. De esta forma la placa esta lista para ser probada eléctricamente y comprobar que funciona correctamente.
También añadiremos las máscaras de conexiones para soldar estos elementos correctamente.
Conclusión y palabras finales
Pues esto es todo acerca de qué es una PCB y cómo se fabrican. Como ves el proceso es bastante complejo y requiere de muchos pasos, debemos de tener en cuenta que la precisión debe ser máxima para que luego ésta funcione como se espere.
Las PCB cada vez son más complejas, con pistas más finas y de mayor densidad, para ser capaces de albergar una enorme cantidad de componentes en muy poco espacio.
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