Circuitos Impresos 721855

FUNDAMETOS DE DISEÑO DE CIRCUITOS IMPRESOS.

• María Riesco García. • Alicia Beisner Muñoz.

2.I. INTRODUCCION Y TIPOS DE CIRCUITOS

IMPRESOS

DEFINICIÓN DE CIRCUITO IMPRESO.

Un circuito impreso o PCB (del inglés Printed Circuit Board), es un medio para sostener mecánicamente y conectar eléctricamente componentes electrónicos, a través de rutas o pistas de material conductor, grabados desde hojas de cobre laminadas sobre un sustrato no conductor. Los circuitos impresos son robustos, baratos, y habitualmente de una fiabilidad elevada. Requieren de un esfuerzo mayor para el posicionamiento de los componentes, y tienen un coste inicial más alto que otras alternativas de montaje, como el montaje punto a punto (o wire-wrap), pero son mucho más baratos, rápidos y consistentes en producción en volúmenes.

HISTORIA (I).

Los circuitos impresos fueron inventados por el australiano Paul Eisler a mediados de los cuarenta y desarrollados durante la II Guerra Mundial, para su uso en detectores de proximidad para proyectiles de artillería. Desde entonces los circuitos impresos se han utilizado en aparatos de comunicaciones, como receptores de televisión y radio, radares, audífonos, computadoras e instrumentos de misiles dirigidos y aeronaves. Después de la guerra, en 1948, EE.UU. liberó la invención para el uso comercial. Los circuitosimpresos no se volvieron populares en la electrónica de consumo hasta mediados de 1950, cuando el proceso de Auto-Ensamblaje fue desarrollado por la Armada de los Estados Unidos. Antes que los circuitos impresos (y por un tiempo después de su invención), la conexión punto a punto era la más usada. Para prototipos, o producción de pequeñas cantidades, el método 'wire wrap' puede ser más eficiente. Originalmente, cada componente electrónico tenía patas de alambre, y el circuito impreso tenía orificios taladrados para cada pata del componente. Las patas de los componentes atravesaban los orificios y eran soldadas a las pistas del circuito impreso. Este método de ensamblaje es llamado through-hole ( "a través del orificio" , por su nombre en inglés).

HISTORIA (II).

En 1949, Moe Abramson y Stanilus F. Danko, de la United States Army Signal Corps desarrollaron el proceso de Autoensamblaje, en donde las patas de los componentes eran insertadas en una lámina de cobre con el patrón de interconexión, y luego eran soldadas. Con el desarrollo de la laminación de tarjetas y técnicas de grabados, este concepto evolucionó en el proceso estándar de fabricación de circuitos impresos usado en la actualidad. La soldadura se puede hacer automáticamente pasando la tarjeta sobre un flujo de soldadura derretida, en una máquina de soldadura por ola.Sin embargo, las patas y orificios son un desperdicio. Es costoso perforar los orificios, y el largo adicional de las patas es eliminado.En vez de utilizar partes through-hole, a menudo se utilizan dispositivo de montaje superficial.

EJEMPLO DE PCB: IMPRESORA Circuito impreso Circuito eléctrico fabricado depositando material conductor sobre la superficie de una base aislante denominada placa de circuito impreso (PCB). En este tipo de circuitos, el cableado usado en circuitos tradicionales se sustituye por una red de finas líneas conductoras, impresas y unidas sobre el PCB. Pueden introducirse dentro del circuito otros elementos, como transistores, resistencias, condensadores e inductores, para modificar el flujo de corriente. Placa de circuito impreso Placa lisa de material aislante, por ejemplo plástico o fibra de vidrio, sobre la que se montan chips y otros componentes electrónicos, generalmente en orificios previamente taladrados para ello. Los componentes de una placa de circuito impreso, y más concretamente los orificios para ellos, están conectados eléctricamente mediante pistas de metal conductor definidas con anterioridad e impresas sobre la superficie de la placa. Las puntas metálicas que sobresalen de los componentes electrónicos se sueldan a las pistas metálicas conductoras formando las conexiones. Las placas de circuito impreso deben tomarse por los bordes y protegerse de la suciedad y la electricidad estática para evitar que se dañen.

Los PCB´s estan formados por: •sustrato rígido. • pistas impresas sobre dicho sustrato. •una resina verde que lo recubre.

•Pad´s de plata (o con aspecto plateado), ya que el cobre da problemas a la hora de soldar el componente.

La mayoría están compuestos por entre una a dieciséis capasconductoras, separadas y soportadas por capas de material aislante (sustrato) laminadas (pegadas) entre sí. Las capas pueden conectarse a través de orificios, llamados vías. Las vías pueden estar electorecubiertas, o se pueden utilizar pequeños remaches. Los circuitos impresos de alta densidad pueden tener vías ciegas, que son visibles en sólo un lado de la tarjeta, o vías enterradas, que no son visibles en el exterior de la tarjeta

TIPOS DE PCBs

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

2-SIDED PLATED HOLES: Es un diseño complicado de bajo coste con taladros metalizados que nos permite hacer pasos de cara.

SINGLE-SIDED NON-PLATED HOLES: Es un PCB con agujeros sin metalizar. Se usa en diseños de bajo coste y sencillos.

2-SIDED NON-PLATED HOLES: Diseño sencillo con taladros sin metalizar. Sustrato de fibras de vidreo y resina. Hay que soldar por los dos lados para que haya continuidad.

2.II. LAMINADOS PARA LA FABRICACION

DE CIRCUITOS IMPRESOS

MATERIALES BÁSICOS: Laminas para crear el PCB: *Sustrato: resina y refuerzo (fibras de vidreo). *Láminas de cobre: Como no queremos cobre en toda la placa el que no deseamos lo eliminamos con un ataque químico.

Las pistas y los pads se crean con cobre y los agujeros taladrando. Normalmente se usan laminas de doble cara. Para una sola cara solo se pone cobre en un lado. Los PCBs multicapa se crean juntado de dos en dos.

SUSTRATOS (I)

Los sustratos de los circuitos impresos utilizados en la electrónica de consumo de bajo costo, se hacen de papel impregnados de resina fenólica, a menudo llamados por su nombre comercial Pértinax. Usan designaciones como XXXP, XXXPC y FR-2. El material es de bajo costo, fácil de mecanizar y causa menos desgaste de las herramientas que los sustratos de fibra de vidrio reforzados. Las letras "FR" en la designación del material indican Resistencia a las Llamas (Flame Resistance en inglés).

Los sustratos para los circuitos impresos utilizados en la electrónica industrial y de consumo de alto costo, están hechos típicamente de un material designado FR-4. Éstos consisten de un material de fibra de vidrio, impregnados con una resina epóxica resistente a las llamas. Pueden ser mecanizados, pero debido al contenido de vidrio abrasivo, requiere de herramientas hechas de carburo de tungsteno en la producción de altos volúmenes. Debido al reforzamiento de la fibra de vidrio, exhibe una resistencia a la flexión y a las trizaduras, alrededor de 5 veces más alta que el Pertinax, aunque a un costo más alto.

SUSTRATOS (II) Los sustratos para los circuitos impresos de circuitos de radio frequencia de alta potencia usanplásticos con una constante dieléctrica (permitividad) baja, tales como Rogers® 4000, Rogers® Duroid, DuPont® Teflón® (tipos GT y GX), poliamida, poliestireno y poliestireno entrecruzado. Típicamente tienen propiedades mecánicas más pobres, pero se considera que es un compromiso de ingeniería aceptable, en vista de su desempeño eléctrico superior. Los circuitos impresos utilizados en el vacío o en gravedad cero, como en una nave espacial, al ser incapaces de contar con el enfriamiento por convección, a menudo tienen un núcleo grueso de cobre o aluminio para disipar el calor de los componentes electrónicos. No todas las tarjetas usan materiales rígidos. Algunas son diseñadas para ser muy o ligeramente flexibles, usando DuPont's® Kapton® film de poliamida y otros. Esta clase de tarjetas, a veces llamadas circuitos flexibles, o circuitos rígido-flexibles, respectivamente, son difíciles de crear, pero tienen muchas aplicaciones. A veces son flexibles para ahorrar espacio (los circuitos impresos dentro de las cámaras y audífonos son casi siempre circuitos flexibles, de tal forma que puedan doblarse en el espacio disponible limitado. En ocasiones la parte flexible del circuito impreso se utiliza como cable o conexión móvil hacia otra tarjeta o dispositivo.

CARACTÉRISTICAS BÁSICAS DEL SUSTRATO:

Mecánicas: 1.Suficientemente rígidos para mantener los componentes. 2.Fácil de taladrar. 3.Sin problemas de laminado. Químicas: 1.Metalizado de los taladros. 2.Retardante de las llamas. 3.No absorve demasiada humedad. Térmicas: 1.Disipa bien el calor. 2.Coeficiente de expansión térmica bajo para que no se rompa. 3.Capaz de soportar el calor en la soldadura. 4.Capaz de soportar diferentes ciclos de temperatura. Eléctricas: 1.Constante dieléctrica baja para tener pocas pérdidas a altas frecuencias. 2.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 poco comunes son el aluminio y el níquel.

Características: 1.Grosor típico de 1.6mm. 2.temperatura de transición del vidreo inferior a 170ºC. 3.Aguante del laminado a picos de temperatura mientras ocurre la soldadura. 4.Coeficiente de expansión térmica razonble y constante. 5.Constante dieléctrica. 6.Pérdidas a altas frecuencias.

2.III. ELEMENTOS DE DISEÑO DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS. a) Pads,vías y pistas. b) Máscara de soldadura y serigrafía. c) Áreas de cobre, thermal reliefs y fiducial marks.

PADS Definición: Un pad es la porción conductora en el diseño de un circuito integrado para el montaje o acoplamiento de componentes sobre la placa.

Es decir, para soldar componentes en la placa, tiene que haber una parte conductora donde conectarlos. Los pads y superficies en las cuales se montarán los componentes, usualmente se metalizan, ya que el cobre al desnudo no es soldable fácilmente. Tradicionalmente, todo el cobre expuesto era metalizado con soldadura. Esta soldadura solía ser una aleación de plomo-estaño, sin embargo, se están utilizando nuevos compuestos para cumplir con la directiva RoHS de la UE, la cual restringe el uso de plomo (por toxicidad).

La forma del pad dependerá del tipo de conexión del componente (visto en el Tema1: wire bonding, TAB, flip-chip) y dependiendo del tipo de package (Tema1: DIP, PGA, CLCC, SOP, PLCC, QFP, BGA).

PADS: EJEMPLOS

OBJETIVO DE LOS PADS: EJEMPLO Situamos un poco de pasta de soldadura en cada pad del PCB:

Y luego posicionamos los componentes sobre la pasta:

VIAS Definición: Una vía es un pequeño agujero que atraviesa la placa de un PCB para conectar las pistas de una capa a otra, o para conectar un componente.

Una vía está formada por:

Barrel: material conductor dentro del agujero para la conexión entre capas. Pad: conecta el barrel con la pista o el componente. Antipad: es un agujero vacío (no conductor) entre el pad y el metal en una capa cuando no es necesario conectar esa capa.

Ejemplo:

TIPOS DE VIAS Through via: es la via convencional, que atraviesa todas las capas del PCB. Blind via: via ciega. Es una via cuyo taladro no llega a atravesar todas las capas, y conecta una capa exterior con una interior.

Buried via: via enterrada. Es una via que conecta capas internas, y por lo tanto no son visibles hacia el exterior.

Microvias: El tamaño normal del taladro de una via es de 8-10 mils. Pero para mayor densidad existen vias hechas con láser, llamadas microvias, de 6mils de diámetro.

MÁSCARA DE SOLDADURA Tras tener las pistas y los pads sobre el PCB, el cobre es cubierto con una resina (polímero), normalmente de color verde, llamada máscara de soldadura.

Objetivos: -Cubre las pistas de cobre para protegerlas y que el estaño no se mueva. -Evita procesos de corrosión debido al medio ambiente. -Proporciona aislamiento eléctrico.

Máscara de soldadura

PADS DEFINIDOS Y NO DEFINIDOS POR LA MÁSCARA DE SOLDADURA

Definido por la máscara de soldadura Vs No definido por la máscara de soldadura

La máscara de soldadura termina en el pad

La máscara de soldadura termina antes del pad

Normalmente se prefieren los pads no definidos por la máscara de soldadura, puesto que el cobre tiene más precisión y permite que el estaño fluya de manera más natural

SERIGRAFÍA Los dibujos y texto se pueden imprimir en las superficies exteriores de un circuito impreso a través de la serigrafía (silk screen). Cuando el espacio lo permite, el texto de la serigrafía puede indicar los nombres de los componentes, la configuración de los interruptores, puntos de prueba, y otras características útiles en el ensamblaje, prueba y servicio de la tarjeta. Importante: El texto sólo se imprime sobre la máscara de soldadura, o en el encapsulado de los componentes, no sobre pads ni vias.

CAPAS DE COBRE En el diseño del PCB, se utilizan capas de cobre como planos de masa.

Objetivos:

-Mejoran la propagación de señales a alta velocidad. -Mejoran la calidad térmica puesto que disipan el calor.

Las capas de cobre también se pueden usar como planos de potencia, puesto que al ser más ancho, permite que pase más corriente.

THERMAL RELIEFS Es un pad en relieve con forma de rueda (normalmente, aunque los hay rectangulares o cuadrados) grabado sobre el plano de cobre, alrededor de un agujero (through hole). Éste sirve para disipar el calor de las áreas de cobre, lo que minimiza la transferencia de calor durante el proceso de soldadura.

Ejemplos:

Thermal básico --- Thermal girado--- Thermal cuadrado

FIDUCIAL MARKS Son líneas que sirven para guiarnos durante el montaje del PCB. Dichas marcas están estandarizadas.

Son parte del diseño del PCB y están divididas en los siguientes tipos: -Global fiducials: Son marcas usadas para localizar la posición de los circuitos sobre la placa.

-Local fiducials: Son marcas usadas para localizar la posición de un componente individual. -Image fiducials: Para saber donde acaba la serigrafía

Local fiducials

y marcar el perímetro.

- fiducials: Están fuera del perímetro, para marcar dónde termina el PCB.

fiducials

BIBLIOGRAFÍA http://www.pwtpcbs.com/glossary/pad.html http://www.twyman.org.uk/PCB-Techniques/index-frame.htm http://blog.screamingcircuits.com/via_in_pad/index.html http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_impreso#Esta.C3.B1ado_y_m.C3.A1scara_antisold ante http://radikaldesig.blogspot.com/ http://www.cadint.se/manual/pcbvia.hole.via.symbol.htm http://www.pad2pad.com/faq/index.htm#nowhere http://www.linkwitzlab.com/pcb.htm http://www.fer.nu/placas/index.html http://www.pwtpcbs.com/glossary/thermal-relief.html http://www.artwork.com/gerber/274x/rs274x.htm http://www.tkb-4u.com/articles/other/fiducial/fiducial.php http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_impreso High-Speed Digital System Design. Stephen H.Hall, Garrett W.Hall, James A. McCall. Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance. Mark I. Montrose.