Circuito impreso: Historia y concepto

En el ámbito de la electrónica, una placa de circuito impreso se compone de caminos, pistas o buses conductores laminados sobre una superficie no conductora. Esta placa se emplea para establecer conexiones eléctricas mediante las pistas conductoras y proporcionar soporte mecánico a un conjunto de componentes electrónicos mediante su base.

 

Introducción

Usualmente, las pistas en una placa de circuito impreso se fabrican con cobre, mientras que la base se compone de materiales como resinas de fibra de vidrio reforzada, cerámica, plástico, teflón o polímeros como la baquelita.

En algunos casos, las placas de circuito impreso también pueden fabricarse con celuloide, utilizando pistas de pintura conductora. Esta opción se elige cuando se requiere flexibilidad para conectar partes que tienen movimiento entre sí. Utilizar celuloide evita los problemas asociados con el cambio de estructura cristalina del cobre, que puede hacer que los conductores de cables y placas sean quebradizos.

La fabricación de PCB y el ensamblaje de componentes pueden automatizarse, lo que resulta en una opción más económica y confiable en entornos de producción en masa en comparación con alternativas como el wire-wrap o entorchado, que están en desuso. Sin embargo, en casos donde se requiere ensamblaje manual para la construcción de prototipos, las PCB pueden no ser la opción ideal debido a su limitada capacidad de modificación una vez construidas y el esfuerzo necesario para soldar los componentes. Además, se fabrican placas con islas y barras conductoras para prototipos, algunas siguiendo el formato de las Protoboards.

Las placas de circuito impreso se han utilizado de manera innovadora en campos distintos a la ingeniería electrónica y biomédica, aprovechando la versatilidad de sus capas, especialmente el cobre. Estas capas se han empleado para fabricar diversos tipos de sensores, como sensores de presión capacitivos y acelerómetros. Además, se han utilizado en la creación de actuadores, como microválvulas y microcalentadores. También se han empleado como plataformas para la integración de sensores y actuadores en chips de laboratorio (Lab on a chip, LoC), por ejemplo, para llevar a cabo la Reacción en cadena de la polimerasa (PCR). Otro uso destacado ha sido en la fabricación de pilas de combustible, entre otras aplicaciones.

Historia

El ingeniero austríaco Paul Eisler (1907-1995) es considerado probablemente el inventor del circuito impreso. Durante su trabajo en Inglaterra alrededor de 1936, Eisler fabricó un circuito impreso como parte de una radio. Aproximadamente en 1943, los Estados Unidos comenzaron a utilizar esta tecnología a gran escala para el desarrollo de la espoleta de proximidad y la fabricación de radios robustas durante la Segunda Guerra Mundial. Después de la guerra, en 1948, los Estados Unidos liberaron la invención para su uso comercial. No fue hasta mediados de la década de 1950 que los circuitos impresos se volvieron populares en la electrónica de consumo, gracias al desarrollo del proceso de "auto-ensamblaje" por parte de la Armada de los Estados Unidos.

Antes de la invención de los circuitos impresos y durante algún tiempo después de su creación, la conexión "punto a punto" era la más utilizada. Para prototipos o producción de pequeñas cantidades, el método de "wire wrap" se consideraba más eficiente.

Originalmente, cada componente electrónico tenía pines de cobre o latón de varios milímetros de longitud, y el circuito impreso tenía orificios perforados para cada pin del componente. Los pines se insertaban a través de los orificios y se soldaban a las pistas del circuito impreso. Este método de ensamblaje se conoce como "agujero pasante" o "through-hole".

En 1949, Moe Abramson y Stanilus F. Danko del United States Army Signal Corps desarrollaron el proceso de auto-ensamblaje, en el que los pines de los componentes se insertaban en una lámina de cobre con el patrón de interconexión y luego se soldaban. Con el avance de la laminación de tarjetas y las técnicas de grabado, este concepto evolucionó en el proceso estándar de fabricación de circuitos impresos utilizado en la actualidad. La soldadura se puede realizar automáticamente pasando la tarjeta sobre un flujo de soldadura derretida en una máquina de soldadura por ola.

Composición física

Los circuitos impresos suelen estar compuestos por varias capas conductoras, que están separadas y soportadas por capas de material aislante (sustrato). Estas capas se laminan entre sí para formar la estructura de la PCB. La cantidad de capas en una placa de circuito impreso depende generalmente de la cantidad de señales que deben ser enrutadas.

Para permitir la conexión entre las capas, se utilizan orificios llamados vías. Estas vías pueden tener un recubrimiento conductor electroquímico, lo que significa que el fabricante deposita una fina capa de cobre químico en todas las superficies expuestas del panel, incluyendo las paredes del orificio, creando así una base metálica de cobre puro. También se pueden utilizar pequeños remaches para lograr la conexión.

En los circuitos impresos de alta densidad, es posible encontrar vías ciegas, que son visibles en solo un lado de la tarjeta, o vías enterradas, que no son visibles desde el exterior de la tarjeta. Estas vías permiten un enrutamiento más eficiente y compacto de las señales en el diseño de la PCB.

Sustratos

Los sustratos utilizados en los circuitos impresos de bajo costo para la electrónica de consumo suelen estar fabricados con papel impregnado de resina fenólica, conocidos comúnmente como Pértinax. Estos sustratos se designan con letras como XXXP, XXXPC y FR-2. Son materiales económicos, fáciles de mecanizar y causan menos desgaste en las herramientas en comparación con los sustratos de fibra de vidrio reforzados, siendo el más conocido el FR-4. La designación "FR" en estos materiales indica que son retardantes de llama.

Por otro lado, los sustratos utilizados en los circuitos impresos de mayor costo en la electrónica industrial y de consumo suelen estar hechos de FR-4. Estos sustratos consisten en material de fibra de vidrio impregnado con una resina epóxica resistente a las llamas. Aunque también pueden ser mecanizados, debido al contenido abrasivo de la fibra de vidrio, requieren herramientas hechas de carburo de tungsteno para la producción en grandes volúmenes. Gracias al refuerzo de la fibra de vidrio, estos sustratos tienen una resistencia a la flexión aproximadamente 5 veces mayor que el Pértinax, aunque a un costo más elevado.

En el caso de los circuitos impresos utilizados en aplicaciones de alta potencia de radiofrecuencia, se utilizan sustratos de plástico con baja constante dieléctrica, como Rogers® 4000, Rogers® Duroid, DuPont Teflón (tipos GT y GX), poliamida, poliestireno y poliestireno entrecruzado. Estos materiales suelen tener propiedades mecánicas inferiores, pero se considera un compromiso aceptable desde el punto de vista de su rendimiento eléctrico.

En entornos de vacío o gravedad cero, como en una nave espacial, donde no es posible el enfriamiento por convección, los circuitos impresos a menudo cuentan con un núcleo grueso de cobre o aluminio para disipar el calor generado por los componentes electrónicos.

Es importante destacar que no todos los circuitos impresos utilizan materiales rígidos. Algunos están diseñados para ser flexibles, utilizando películas de poliamida como el Kapton de DuPont y otros materiales similares.

Estos circuitos, a veces denominados "circuitos flexibles" o "circuitos rígido-flexibles", son más difíciles de fabricar, pero tienen diversas aplicaciones. En algunos casos, la flexibilidad se utiliza para ahorrar espacio, como en los circuitos impresos dentro de cámaras y auriculares, donde pueden doblarse para adaptarse a espacios limitados. En otras ocasiones, la parte flexible del circuito impreso se utiliza como cable o conexión móvil hacia otra tarjeta o dispositivo, como ocurre con el cable que conecta el cabezal de una impresora de inyección de tinta.

Métodos típicos para la producción de circuitos impresos

Atacado

Existen diversas formas de realizar el atacado de la placa virgen en la fabricación de circuitos impresos. La mayoría de los procesos implican el uso de ácidos o corrosivos para eliminar el exceso de cobre. Se utilizan métodos de galvanoplastia que son rápidos, pero tienen la desventaja de requerir un ataque adicional con ácido después del galvanizado, ya que no se elimina todo el cobre.

Entre los productos químicos más utilizados se encuentran el cloruro férrico, el sulfuro de amonio, el ácido clorhídrico mezclado con agua y el peróxido de hidrógeno. Estas sustancias se emplean en formulaciones de ataque tanto alcalinas como ácidas. La elección de la formulación depende del tipo de circuito que se vaya a fabricar.

En la fabricación industrial de circuitos impresos, se recomienda el uso de máquinas con transporte de rodillos y cámaras de aspersión para aplicar los líquidos de ataque. Estas máquinas deben contar con sistemas de control de temperatura, presión y velocidad de transporte. Además, es necesario disponer de sistemas de extracción y lavado de gases para garantizar un entorno seguro.

Perforado

Las perforaciones o vías en los circuitos impresos se realizan mediante el uso de pequeñas brocas fabricadas con carburo de tungsteno. El proceso de perforado se lleva a cabo con maquinaria automatizada controlada por un archivo de perforaciones o una cinta de perforaciones. Estos archivos, generados por computadora, son conocidos como "taladros controlados por computadora" (NCD, por sus siglas en inglés) o "archivos Excellon". El archivo de perforaciones describe la posición y el tamaño de cada perforación taladrada.

En casos donde se requieren vías muy pequeñas, el taladrado con brocas puede resultar costoso debido al alto consumo y fragilidad de las brocas. En tales situaciones, las vías pueden ser evaporadas por medio de un láser. Sin embargo, las vías perforadas de esta manera suelen presentar una calidad de terminación inferior en el interior del orificio. A este tipo de perforaciones se les denomina "micro vías".

Además, existen otras técnicas para producir perforaciones que conectan solo algunas capas de cobre en lugar de atravesar toda la tarjeta. Estas técnicas incluyen el taladrado con control de profundidad, el perforado láser o el pre-taladrado de las láminas individuales antes de la laminación. Cuando estas perforaciones conectan una capa interna con una de las capas exteriores, se les llama "vías ciegas". Por otro lado, cuando conectan dos capas internas, se les denomina "vías enterradas".

En el caso de tarjetas de circuitos impresos con dos o más capas, las paredes de los orificios se metalizan con cobre para formar "orificios metalizados". Estos orificios metalizados permiten la conexión eléctrica entre las capas conductoras del circuito impreso.

Estañado y máscara antisoldante

Los pads y superficies donde se colocarán los componentes en los circuitos impresos suelen ser metalizados, ya que el cobre desnudo no es fácilmente soldable. En el pasado, todo el cobre expuesto solía ser metalizado con una aleación de plomo y estaño. Sin embargo, para cumplir con la directiva RoHS de la Unión Europea, que restringe el uso de plomo, se están utilizando nuevos compuestos. Estos nuevos compuestos se utilizan para el metalizado de los pads y superficies.

En ocasiones, se utiliza el oro como metalización en los conectores de borde que se encuentran en los bordes de las tarjetas. El metalizado con oro puede aplicarse tanto en áreas específicas como en la tarjeta completa.

Para evitar cortocircuitos entre los pines adyacentes de un componente, las áreas que no deben ser soldadas pueden ser recubiertas con un polímero resistente a la soldadura. Este recubrimiento, conocido como "resistente a la soldadura", ayuda a prevenir problemas de conexión no deseados.

Serigrafía

Existen diversas formas de imprimir dibujos y texto en las superficies exteriores de un circuito impreso. Una de ellas es mediante el uso de la serigrafía, donde se pueden plasmar los nombres de los componentes, la configuración de los interruptores, puntos de prueba y otras características útiles para el ensamblaje, prueba y servicio de la tarjeta. Otra opción es la tecnología de impresión digital por chorro de tinta, también conocida como inkjet o Printar, que permite imprimir información variable sobre el circuito, como la serialización, códigos de barra y datos de trazabilidad.

Montaje

En el caso de las tarjetas de montaje a través del orificio ("through hole"), los pines de los componentes se insertan en los orificios y se sujetan eléctrica y mecánicamente a la tarjeta mediante soldadura.

Por otro lado, en la tecnología de montaje superficial, los componentes se sueldan directamente a las almohadillas (pads) en las capas exteriores de la tarjeta. Esta tecnología a menudo se combina con componentes de montaje a través del orificio, ya que algunos componentes solo están disponibles en ese formato.

Pruebas y verificación

Las tarjetas que no tienen componentes instalados pueden someterse a pruebas conocidas como "pruebas al desnudo". Estas pruebas se llevan a cabo para verificar cada conexión definida en el netlist de la tarjeta finalizada.

En producciones de gran volumen, se utiliza una herramienta llamada "Cama de pinchos" para facilitar las pruebas. Esta cama de pinchos hace contacto con las áreas de cobre u orificios en uno o ambos lados de la tarjeta. Una computadora instruye a la unidad de pruebas eléctricas para enviar una pequeña corriente eléctrica a través de cada contacto de la cama de pinchos y verificar que esta corriente se reciba en el otro extremo del contacto.

Para volúmenes medianos o pequeños, se utilizan unidades de prueba que cuentan con un cabezal móvil. Este cabezal móvil hace contacto directo con las pistas de cobre y los orificios de la tarjeta para verificar la conectividad de la placa que se está verificando.

Protección y paquete

En los circuitos impresos utilizados en ambientes extremos, es común aplicar un recubrimiento para proteger la tarjeta. Este recubrimiento se aplica después de soldar los componentes y puede realizarse sumergiendo la tarjeta en una solución o mediante el uso de un aerosol.

El propósito principal del recubrimiento es prevenir la corrosión y evitar las corrientes de fuga o cortocircuitos causados por la condensación. En el pasado, se solían utilizar ceras como recubrimientos, pero en la actualidad se emplean soluciones más modernas.

Los recubrimientos actuales están compuestos por diversas opciones, como goma de silicona, poliuretano, acrílico o resina epóxida. Algunos recubrimientos son plásticos aplicados en una cámara de vacío para garantizar una protección eficaz. Estas soluciones modernas ofrecen una mayor resistencia y durabilidad en comparación con los recubrimientos de cera utilizados anteriormente.