Placa de circuito impreso

Una placa de circuito impreso ( PCB ), también llamada placa de cableado impreso ( PWB ), es un medio utilizado para conectar o "conectar" componentes entre sí en un circuito . Toma la forma de una estructura sándwich laminada de capas conductoras y aislantes : cada una de las capas conductoras está diseñada con un patrón de trazos, planos y otras características (similares a cables en una superficie plana) grabados a partir de una o más capas de láminas de cobre laminadas sobre o entre capas de láminas de un sustrato no conductor. ^[1] Los componentes eléctricos pueden fijarse a almohadillas conductoras en las capas externas, generalmente por medio de soldadura , que conecta eléctricamente y sujeta mecánicamente los componentes a la placa. Otro proceso de fabricación agrega vías , orificios perforados que permiten interconexiones eléctricas entre capas conductoras.

Las placas de circuito impreso se utilizan en casi todos los productos electrónicos. Las alternativas a las PCB incluyen la envoltura de cables y la construcción punto a punto , ambas populares en el pasado pero que ahora se usan poco. Las PCB requieren un esfuerzo de diseño adicional para diseñar el circuito, pero la fabricación y el ensamblaje se pueden automatizar. Hay disponible software de automatización de diseño electrónico para realizar gran parte del trabajo de diseño. La producción en masa de circuitos con PCB es más barata y rápida que con otros métodos de cableado, ya que los componentes se montan y se conectan en una sola operación. Se pueden fabricar grandes cantidades de PCB al mismo tiempo y el diseño solo se debe realizar una vez. Las PCB también se pueden fabricar manualmente en pequeñas cantidades, con beneficios reducidos. ^[2]

Las PCB pueden ser de una sola cara (una capa de cobre), de doble cara (dos capas de cobre en ambos lados de una capa de sustrato) o multicapa (capas externas e internas de cobre, alternadas con capas de sustrato). Las PCB multicapa permiten una densidad de componentes mucho mayor, porque las trazas de circuitos en las capas internas de otro modo ocuparían espacio superficial entre los componentes. El aumento de la popularidad de las PCB multicapa con más de dos, y especialmente con más de cuatro, planos de cobre fue concurrente con la adopción de la tecnología de montaje superficial . Sin embargo, las PCB multicapa hacen que la reparación, el análisis y la modificación en campo de los circuitos sean mucho más difíciles y, por lo general, poco prácticas.

El mercado mundial de PCB desnudos superó los 60,2 mil millones de dólares en 2014 ^[3] y se estima que alcanzará los 79 mil millones de dólares en 2024. ^{[4] [5]}

Antes del desarrollo de las placas de circuitos impresos, los circuitos eléctricos y electrónicos se conectaban punto a punto en un chasis. Normalmente, el chasis era un marco o una bandeja de chapa metálica, a veces con una base de madera. Los componentes se fijaban al chasis, normalmente mediante aisladores cuando el punto de conexión en el chasis era de metal, y luego sus cables se conectaban directamente o con cables puente mediante soldadura , o a veces utilizando conectores de crimpado , lengüetas de conector de cable 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 circuitos impresos modernas comenzó a principios del siglo XX. En 1903, un inventor alemán, Albert Hanson, describió conductores de láminas planas laminadas sobre una placa aislante, en múltiples capas. Thomas Edison experimentó con métodos químicos para recubrir conductores sobre papel de lino en 1904. Arthur Berry en 1913 patentó un método de impresión y grabado en el Reino Unido, y en los Estados Unidos Max Schoop obtuvo una patente ^[6] para rociar metal con llama sobre una placa a través de una máscara estampada. Charles Ducas en 1925 patentó un método de galvanoplastia de patrones de circuitos. ^[7]

Previo a la invención del circuito impreso y de un espíritu similar, John Sargrove inventó entre 1936 y 1947 el equipo para la fabricación de circuitos electrónicos (ECME), que rociaba metal sobre una placa de plástico de baquelita . El ECME podía producir tres placas de radio por minuto.

El ingeniero austríaco 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 de influencia magnética alemanas .

Alrededor de 1943, Estados Unidos comenzó a utilizar la tecnología a gran escala para fabricar espoletas de proximidad para su uso en la Segunda Guerra Mundial. ^[7] Estas espoletas requerían un circuito electrónico que pudiera soportar ser disparado desde un arma y que pudiera producirse en cantidad. La División Centralab de Globe Union presentó una propuesta que cumplía con los requisitos: una placa de cerámica se serigrafiaría con pintura metálica para los conductores y material de carbono para las resistencias , con condensadores de disco cerámico y tubos de vacío subminiatura soldados en su lugar. ^[8] La técnica resultó 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 tempranas contribuciones clave al desarrollo de componentes y conductores impresos 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 cableados sino también componentes pasivos sobre el sustrato cerámico.

En 1948, Estados Unidos lanzó el invento para su 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 Auto-Sembly . Casi al mismo tiempo, en el Reino Unido, Geoffrey Dummer , que entonces trabajaba en el RRDE , llevó a cabo un trabajo similar .

Motorola fue uno de los primeros en introducir este proceso en la electrónica de consumo, y en agosto de 1952 anunció la adopción de "circuitos enchapados" en las radios domésticas tras seis años de investigación y una inversión de un millón de dólares. ^[11] Motorola pronto empezó a utilizar su término de marca registrada 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 circuitos empezaron a estar disponibles, el método de construcción de chasis punto a punto siguió siendo de uso común en la industria (como en los televisores y los equipos de alta fidelidad) al menos hasta finales de la década de 1960. Las placas de circuitos impresos se introdujeron para reducir el tamaño, el peso y el coste de las piezas de los circuitos. En 1960, un pequeño receptor de radio de consumo podía construirse con todos sus circuitos en una sola placa de circuitos, pero un televisor probablemente contendría una o más placas de circuitos.

Originalmente, cada componente electrónico tenía cables conductores , y una PCB tenía agujeros perforados para cada cable de cada componente. Luego, los cables del componente se insertaban a través de los agujeros y se soldaban a las pistas de cobre de la PCB. Este método de ensamblaje se llama construcción de orificios pasantes . En 1949, Moe Abramson y Stanislaus F. Danko del Cuerpo de Señales del Ejército de los Estados Unidos desarrollaron el proceso Auto-Sembly en el que los cables del componente 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 de los EE. UU. ^[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 usa hoy en día. La soldadura se podía realizar automáticamente pasando la placa sobre una ondulación u ola de soldadura fundida en una máquina de soldadura por ola . Sin embargo, los cables y los agujeros son ineficientes ya que perforar agujeros es costoso y consume brocas y los cables que sobresalen se cortan y se descartan.

Desde la década de 1980 en adelante, se han utilizado cada vez más piezas pequeñas de montaje superficial en lugar de componentes con orificios pasantes; esto ha dado lugar a placas más pequeñas para una funcionalidad determinada y a menores costos de producción, pero con algunas dificultades adicionales a la hora de reparar placas defectuosas.

En la década de 1990, el uso de placas de superficie multicapa se hizo más frecuente. Como resultado, el tamaño se minimizó aún más y se incorporaron PCB tanto flexibles como rígidos en diferentes dispositivos. En 1995, los fabricantes de PCB comenzaron a utilizar la tecnología de microvías para producir PCB de interconexión de alta densidad (HDI). ^[15]

Los recientes avances en la impresión 3D han significado que existen varias técnicas nuevas en la creación de PCB. La electrónica impresa en 3D (PE) se puede utilizar para imprimir elementos capa por capa y, posteriormente, el elemento se puede imprimir con una tinta líquida que contiene funcionalidades electrónicas.

La tecnología HDI (High Density Interconnect) permite un diseño más denso en la PCB y, por lo tanto, PCB potencialmente más pequeños con más trazas y componentes en un área determinada. Como resultado, los caminos entre los componentes pueden ser más cortos. Las HDI utilizan vías ciegas/enterradas, o una combinación que incluye microvías. Con PCB HDI multicapa, la interconexión de varias vías apiladas una sobre otra (vías apiladas, en lugar de una vía enterrada profundamente) puede hacerse más fuerte, mejorando así la confiabilidad en todas las condiciones. Las aplicaciones más comunes para la tecnología HDI son los componentes de computadoras y teléfonos móviles, así como el equipo médico y el equipo de comunicación militar. Una PCB de microvías HDI de 4 capas es equivalente en calidad a una PCB de orificio pasante de 8 capas, por lo que la tecnología HDI puede reducir los costos. Las PCB HDI a menudo se fabrican utilizando una película de acumulación como la película de acumulación de Ajinomoto, que también se utiliza en la producción de paquetes de chip invertido . ^{[16] [17]} Algunas PCB tienen guías de ondas ópticas, similares a las fibras ópticas incorporadas en la PCB. ^[18]

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 trazos 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 fijos en su lugar y están aislados entre sí por el aire y el material del sustrato de la placa. La superficie de una PCB puede tener un revestimiento que protege el cobre de la corrosión y reduce las posibilidades de cortocircuitos de soldadura entre trazos o contacto eléctrico no deseado con cables desnudos sueltos. Por su función de ayudar a prevenir cortocircuitos de soldadura, el revestimiento se llama resistencia de soldadura o máscara de soldadura .

El patrón que se va a grabar en cada capa de cobre de una PCB se denomina "obra de arte". El grabado se realiza normalmente utilizando fotorresistencia que se aplica sobre la PCB y luego se expone a la luz proyectada en el patrón de la obra de arte. El material de resistencia protege al cobre de la disolución en la solución de grabado. A continuación, se limpia la placa grabada. Un diseño de PCB se puede reproducir en masa de forma similar a la forma en que se pueden duplicar en masa las fotografías a partir de negativos de película utilizando una impresora fotográfica .

El sustrato aislante más común es el epoxi de vidrio FR-4 . Otro material de sustrato es el papel de algodón impregnado con resina fenólica , a menudo de color tostado o marrón.

Cuando una PCB no tiene componentes instalados, se la denomina de forma menos ambigua placa de cableado impreso ( PWB ) o placa de cableado grabado . ^[19] Sin embargo, el término "placa de cableado impreso" ha caído en desuso. Una PCB poblada 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" significa más comúnmente "conjunto de circuito impreso" (con componentes). El término preferido de IPC para una placa ensamblada es conjunto de tarjeta de circuito ( CCA ), ^[20] y para una placa base ensamblada es conjunto de placa base . "Tarjeta" es otro término informal ampliamente utilizado para un "conjunto de circuito impreso". Por ejemplo, tarjeta de expansión .

Una PCB puede tener impresa 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 al funcionamiento de una PCBA.

Una placa de circuito impreso puede tener múltiples capas de cobre que casi siempre están dispuestas en pares. La cantidad de capas y la interconexión diseñada entre ellas (vías, PTH) brindan 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 también es una tarea que requiere mucho tiempo y es costosa de fabricar. Asimismo, 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 producción.

Una de las placas más sencillas de producir es la de dos capas. Tiene cobre en ambos lados, lo que se conoce como capas externas; las placas multicapa intercalan capas internas adicionales de cobre y aislamiento. Después de las placas de circuito impreso de dos capas, el siguiente paso es la 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 usa como plano de tierra o plano de energía, para lograr una mejor integridad de la señal, frecuencias de señalización más altas, menor EMI y mejor desacoplamiento de la fuente de alimentación.

En las placas multicapa, las capas de material se laminan juntas en un sándwich alterno: cobre, sustrato, cobre, sustrato, cobre, etc.; cada plano de cobre se graba y todas las vías internas (que no se extenderán a ambas superficies externas de la placa multicapa terminada) se recubren, antes de que las capas se laminen juntas. Solo es necesario recubrir las capas externas; las capas internas de cobre están protegidas por las capas de sustrato adyacentes.

Los componentes de "agujero pasante" se montan haciendo pasar sus cables a través de la placa y se sueldan a las pistas del otro lado. Los componentes de "montaje superficial" se fijan por sus cables a las pistas de cobre del mismo lado de la placa. Una placa puede utilizar ambos métodos para montar componentes. Las PCB con componentes montados únicamente mediante orificios pasantes son poco comunes en la actualidad. El montaje superficial se utiliza para transistores , diodos , chips de CI , resistencias y condensadores. El montaje mediante orificios pasantes se puede utilizar para algunos componentes grandes, como condensadores electrolíticos y conectores.

Las primeras 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 de componente sin revestimiento, 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 placa en direcciones opuestas para mejorar la resistencia mecánica de la pieza), soldando los cables y recortando los extremos. Los cables se pueden soldar manualmente o con una máquina de soldadura por ola . ^[21] La fabricación de orificios pasantes aumenta el costo de la placa al requerir que se taladren muchos orificios con precisión, y limita el área de enrutamiento disponible para las trazas de señal en las capas inmediatamente debajo de la capa superior en placas multicapa, ya que los orificios deben pasar a través de todas las capas hasta el lado opuesto. Una vez que se empezó a utilizar el montaje superficial, se utilizaron componentes SMD de tamaño pequeño siempre que fue posible, y solo se montaron mediante orificios pasantes los componentes que no eran lo suficientemente grandes para el montaje superficial debido a los requisitos de potencia o limitaciones mecánicas, o que estaban sujetos a tensión mecánica que podría dañar la PCB (por ejemplo, levantando el cobre de la superficie de la placa). ^{[ cita requerida ]}

La tecnología de montaje superficial surgió en la década de 1960, ganó 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 tener pequeñas pestañas de metal o tapas de extremo que se podían soldar directamente sobre la superficie de la PCB, en lugar de cables que pasaran por 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 por orificios pasantes, lo que permitió conjuntos de PCB mucho más pequeños con densidades de circuitos mucho más altas. El montaje superficial se presta bien a un alto grado de automatización, lo que reduce los costos de mano de obra y aumenta enormemente las tasas de producción en comparación con las placas de circuitos con orificios pasantes. Los componentes se pueden suministrar montados en cintas portadoras. Los componentes de montaje superficial pueden tener aproximadamente entre una cuarta y una décima parte del tamaño y el peso de los componentes con orificios pasantes, y los componentes pasivos son mucho más económicos. 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 pocas ventajas de precio sobre los paquetes más grandes, y algunos componentes con extremos de cable, como los diodos de conmutación de pequeña señal 1N4148 , son en realidad significativamente más baratos que sus equivalentes SMD.

Cada traza consiste en una parte plana y estrecha de la lámina de cobre que queda después del grabado. Su resistencia , determinada por su ancho, grosor y longitud, debe ser lo suficientemente baja para la corriente que transportará el conductor. Es posible que las trazas de alimentación y tierra deban ser más anchas que las trazas de señal. En una placa multicapa, una capa entera puede ser principalmente de cobre sólido para actuar como plano de tierra para blindaje y retorno de energía. Para circuitos de microondas , las líneas de transmisión se pueden colocar en forma plana, como stripline o microstrip, con dimensiones cuidadosamente controladas para asegurar una impedancia constante . En los circuitos de radiofrecuencia y conmutación rápida, la inductancia y la capacitancia de los conductores de la placa de circuito impreso se convierten en elementos de circuito significativos, generalmente no deseados; por el contrario, se pueden usar como una 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 interconexiones de alta densidad (HDI) tienen pistas o vías con un ancho o diámetro de menos de 152 micrómetros. ^[22]

Los laminados se fabrican curando capas de tela o papel con resina termoendurecible bajo presión y calor para formar una pieza final integral de espesor uniforme. Pueden tener hasta 4 x 8 pies (1,2 x 2,4 m) de ancho y largo. Se utilizan diferentes tramas de tela (hilos por pulgada o cm), espesor de 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. ^[23]

El material de tela o fibra utilizado, el material de resina y la relación tela-resina determinan la designación del tipo de laminado (FR-4, CEM -1, G-10 , etc.) y, por lo tanto, las características del laminado producido. Las características importantes son el nivel de retardancia del fuego del laminado , la constante dieléctrica ( _er ), la tangente de pérdida (tan δ), la resistencia a la tracción , la resistencia al corte , la temperatura de transición vítrea (Tg ₎ y el coeficiente de expansión del eje Z (cuánto cambia el espesor con la temperatura).

Existen varios 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 conocidos que se utilizan 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 material de la placa que tiene cobre sin grabar se denomina "laminado revestido de cobre".

A medida que disminuye el tamaño de las características de la placa y aumenta la frecuencia, las pequeñas no homogeneidades como la distribución desigual de 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, están ganando importancia.

Los sustratos de las placas de circuitos suelen ser materiales compuestos dieléctricos. Los materiales compuestos contienen una matriz (normalmente una resina epoxi ) y un refuerzo (normalmente un tejido, a veces no tejido, fibras de vidrio, a veces incluso papel) y, en algunos casos, se añade un relleno a la resina (por ejemplo, cerámica; se puede utilizar cerámica 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 económicos, pero la constante dieléctrica elevada del vidrio puede no ser favorable para muchas aplicaciones de frecuencias más altas. 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 del 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 , voltaje de ruptura dieléctrica , corriente de fuga , resistencia de seguimiento, etc.) 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; si se excede la T _g , se ejerce una sobrecarga mecánica sobre los componentes de la placa, por ejemplo, las juntas y las vías. Por debajo de la T _g, la expansión térmica de la resina es aproximadamente igual a la del cobre y el vidrio; por encima, es significativamente mayor. Como el refuerzo y el cobre confinan la placa a lo largo del plano, prácticamente toda la expansión del volumen se proyecta hacia el espesor y tensiona los orificios pasantes enchapados. La soldadura repetida u otra exposición a temperaturas más altas puede provocar la falla del enchapado, especialmente con placas más gruesas; por lo tanto, las placas gruesas 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, por lo general, disminuye con ella. 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; en este caso, es importante lograr una constante dieléctrica frente a las características de frecuencia lo más plana posible. La impedancia de las líneas de transmisión disminuye con la frecuencia, por lo que los bordes más rápidos de las señales se reflejan más que los más lentos.

La tensión de ruptura dieléctrica determina el gradiente de tensión máximo al que puede estar sometido el material antes de sufrir una ruptura (conducción o arco eléctrico a través del dieléctrico).

La resistencia de seguimiento determina cómo el material resiste las descargas eléctricas de alto voltaje que se deslizan sobre la superficie de la placa.

La tangente de pérdida determina qué cantidad de energía electromagnética de las señales en los conductores se absorbe en el material de la placa. Este factor es importante para las frecuencias altas. Los materiales de baja pérdida son más caros. Elegir un material de baja pérdida innecesaria es un error de ingeniería común en el diseño digital de alta frecuencia; aumenta el costo de las placas sin un beneficio correspondiente. La degradación de la señal por la tangente de pérdida y la constante dieléctrica se puede evaluar fácilmente mediante un patrón visual .

La absorción de humedad se produce cuando el material se expone a una humedad elevada o al agua. Tanto la resina como el refuerzo pueden absorber agua; el agua también puede ser absorbida por fuerzas capilares a través de los 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 solo el 0,15%. El teflón tiene una absorción muy baja del 0,01%. Las poliimidas y los ésteres de cianato, por otro lado, sufren una alta absorción de agua. El agua absorbida puede provocar una degradación significativa de los parámetros clave; perjudica la resistencia de seguimiento, la tensión 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 circuito comunes. La humedad absorbida también puede vaporizarse al calentarse, como durante la soldadura , y provocar grietas y delaminación , ^[24] el mismo efecto responsable del daño por "palomitas de maíz" en los envases húmedos de las piezas electrónicas. Puede ser necesario hornear con cuidado los sustratos para secarlos antes de soldar. ^[25]

Materiales que se encuentran frecuentemente:

• FR-2 , papel fenólico o papel de algodón fenólico, papel impregnado con resina de fenol formaldehído . Común en productos electrónicos de consumo con placas de una sola cara. Propiedades eléctricas inferiores a las del FR-4. Resistencia al arco eléctrico deficiente. Generalmente, se puede clasificar hasta 105 °C.
• FR-4 , tejido de fibra de vidrio impregnado con resina epoxi . Baja absorción de agua (hasta aproximadamente 0,15 %), buenas propiedades de aislamiento, buena resistencia al arco eléctrico. Muy común. Hay varios grados disponibles con propiedades ligeramente diferentes. Normalmente, se puede clasificar hasta 130 °C.
• Aluminio , o placa de núcleo de metal o sustrato de metal aislado (IMS), revestido con un dieléctrico delgado conductor de calor; se utiliza para piezas que requieren una refrigeración importante: interruptores de potencia, LED. Consiste en una placa de circuito delgada, generalmente de una sola capa, a veces de doble capa, basada en, por ejemplo, FR-4, laminada sobre una lámina de aluminio, comúnmente de 0,8, 1, 1,5, 2 o 3 mm de espesor. Los laminados más gruesos a veces también vienen con una metalización de cobre más gruesa. ^{[26] [27]}
• Sustratos flexibles : pueden ser una lámina revestida de cobre independiente o pueden laminarse sobre un refuerzo delgado, por ejemplo, de 50 a 130 μm.
  • Kapton o UPILEX , ^[28] una lámina de poliimida . Se utiliza para circuitos impresos flexibles , en esta forma es común en electrónica de consumo de formato pequeño o para interconexiones flexibles. Resistente a altas temperaturas.
  • Pyralux, una lámina compuesta de fluoropolímero de poliimida. ^[29] La capa de cobre puede deslaminarse durante la soldadura.

Materiales que se encuentran con menos frecuencia:

• FR-1, al igual que FR-2, se especifica normalmente a 105 °C, algunos grados se clasifican a 130 °C. Se puede perforar a temperatura ambiente. Similar al cartón. Poca resistencia a la humedad. Baja resistencia al arco eléctrico.
• FR-3, papel de algodón impregnado con epoxi. Normalmente apto para 105 °C.
• FR-5, fibra de vidrio tejida y epoxi, alta resistencia a temperaturas más altas, normalmente especificadas a 170 °C.
• FR-6, vidrio mate y poliéster
• G-10 , fibra de vidrio tejida y epoxi: alta resistencia de aislamiento, baja absorción de humedad, muy alta resistencia de unión. Normalmente, se puede clasificar hasta 130 °C.
• G-11, vidrio tejido y epoxi: alta resistencia a solventes, alta retención de resistencia a la flexión a altas temperaturas. ^[30] Generalmente clasificado hasta 170 °C.
• CEM-1, papel de algodón y epoxi
• CEM-2, papel de algodón y epoxi
• CEM-3, vidrio no tejido y epoxi
• CEM-4, fibra de vidrio tejida y epoxi
• CEM-5, fibra de vidrio tejida y poliéster
• PTFE ("teflón"): caro, baja pérdida dieléctrica, para aplicaciones de alta frecuencia, muy baja absorción de humedad (0,01 %), mecánicamente blando. Difícil de laminar, rara vez se utiliza en aplicaciones multicapa.
• PTFE, relleno de cerámica: costoso, con baja pérdida dieléctrica, para aplicaciones de alta frecuencia. La variación de la relación cerámica/PTFE permite ajustar la constante dieléctrica y la expansión térmica.
• RF-35, PTFE reforzado con cerámica de fibra de vidrio. Relativamente menos costoso, buenas propiedades mecánicas, buenas propiedades de alta frecuencia. ^{[31] [32]}
• Alúmina , un material cerámico. Duro, quebradizo, muy caro, de muy alto rendimiento y buena conductividad térmica.
• Poliimida , un polímero de alta temperatura. Caro, de alto rendimiento. Mayor absorción de agua (0,4 %). Se puede utilizar desde temperaturas criogénicas hasta más de 260 °C.

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El espesor del cobre de las PCB se puede especificar directamente o como el peso del cobre por área (en onzas por pie cuadrado), lo que es más fácil de medir. Una onza por pie cuadrado equivale a 1,344 milésimas de pulgada o 34 micrómetros de espesor. El cobre pesado es una capa que supera las tres onzas de cobre por pie ^cuadrado , o aproximadamente 0,0042 pulgadas (4,2 milésimas de pulgada, 105 μm) de espesor. Las capas de cobre pesado se utilizan para corrientes altas o para ayudar a disipar el calor.

En los sustratos FR-4 comunes, el espesor más común es de 1 oz de cobre por pie ^cuadrado (35 μm); los espesores de 2 oz (70 μm) y 0,5 oz (17,5 μm) suelen ser una opción. Menos comunes son los de 12 y 105 μm; a veces, en algunos sustratos se encuentran disponibles 9 μm. Los sustratos flexibles suelen tener una metalización más delgada. Las placas con núcleo metálico para dispositivos de alta potencia suelen utilizar cobre más grueso; 35 μm es lo habitual, 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 denominadas simplemente onza . Los espesores comunes son 1/2 oz/ft ² (150 g/m ² ), 1 oz/ft ² (300 g/m ² ), 2 oz/ft ² (600 g/m ² ) y 3 oz/ft ² (900 g/m ² ). Estos equivalen a espesores de 17,05 μm (0,67 milésimas ), 34,1 μm (1,34 milésimas ), 68,2 μm (2,68 milésimas) y 102,3 μm (4,02 milésimas), respectivamente.

La lámina de cobre de 1/2 oz/ft ² no se usa ampliamente como peso de cobre terminado, pero se utiliza para capas externas cuando el enchapado para orificios pasantes aumentará el peso del cobre terminado. Algunos fabricantes de PCB se refieren a la lámina de cobre de 1 oz/ft ² como si tuviera un espesor de 35 μm (también puede denominarse 35 μ, 35 micrones o 35 mic).

• 1/0 – denota 1 oz/ft ² de cobre en un lado, sin cobre en el otro lado.
• 1/1 – denota 1 oz/ft ² de cobre en ambos lados.
• H/0 o H/H – denota 0,5 oz/ft ² de cobre en uno o ambos lados, respectivamente.
• 2/0 o 2/2 – denota 2 oz/ft ² de cobre en uno o ambos lados, respectivamente.

La fabricación comienza a partir de los datos de fabricación generados por el diseño asistido por ordenador y la información de los componentes. Los datos de fabricación se leen en el software CAM (fabricación asistida por ordenador). El CAM realiza las siguientes funciones:

1. Entrada de los datos de fabricación.
2. Verificación de los datos
3. Compensación de desviaciones en los procesos de fabricación (por ejemplo, escalado para compensar distorsiones durante la laminación)
4. Panelización
5. Salida de las herramientas digitales (patrones de cobre, archivos de perforación, inspección y otros)

Inicialmente, las PCB se diseñaban manualmente creando una fotomáscara sobre una lámina de mylar transparente , generalmente de dos o cuatro veces el tamaño real. A partir del diagrama esquemático, se colocaban las almohadillas de los pines de los componentes sobre el mylar y luego se trazaban las pistas para conectar las almohadillas. Las transferencias secas de huellas de componentes comunes aumentaban la eficiencia. Las pistas se hacían con cinta autoadhesiva. Las cuadrículas preimpresas no reproducibles sobre el mylar ayudaban en el diseño. La fotomáscara terminada se reproducía fotolitográficamente sobre un revestimiento de fotorresistencia sobre las placas revestidas de cobre en blanco.

Las PCB modernas se diseñan con un software de diseño específico, generalmente en los siguientes pasos: ^{[33] [34]}

1. Captura esquemática a través de una herramienta de automatización de diseño electrónico ( EDA ).
2. Las dimensiones y la plantilla de la tarjeta se deciden en función del circuito requerido y del gabinete de la PCB.
3. Se determinan las posiciones de los componentes y disipadores de calor .
4. Se decide la pila de capas de la PCB, con una a decenas de capas según la complejidad. Se deciden los planos de tierra y de potencia. Un plano de potencia es la contraparte de un plano de tierra y se comporta como una señal de tierra de CA mientras proporciona energía de CC a los circuitos montados en la PCB. Las interconexiones de señales se trazan en planos de señal. Los planos de señal pueden estar en las capas externas e internas. Para un rendimiento EMI óptimo , las señales de alta frecuencia se enrutan en capas internas entre los planos de potencia o tierra. ^[35]
5. La impedancia de línea se determina utilizando el espesor de la capa dieléctrica, el espesor del cobre de enrutamiento y el ancho de la traza. La separación de las trazas también se tiene en cuenta en el caso de señales diferenciales. Se pueden utilizar microstrip , stripline o dual stripline para enrutar señales.
6. Se colocan los componentes. Se tienen en cuenta las consideraciones térmicas y la geometría. Se marcan los pasos y las pistas.
7. Las trazas de señales se enrutan . Las herramientas de automatización del diseño electrónico suelen crear espacios libres y conexiones en los planos de potencia y tierra de forma automática.
8. Los datos de fabricación constan de un conjunto de archivos Gerber , un archivo de perforación y un archivo de selección y colocación. ^[34]

Varias placas de circuito impreso pequeñas se pueden agrupar para procesarlas como un panel. Un panel que consiste en un diseño duplicado n veces también se denomina n -panel, mientras que un multipanel combina varios diseños diferentes en un solo panel. La tira de herramientas exterior a menudo incluye orificios de herramientas, un conjunto de fiduciales de panel , un cupón de prueba y puede incluir vertido de cobre rayado o patrones similares para una distribución uniforme del cobre en todo el panel con el fin de evitar que se doble. Los ensambladores a menudo montan componentes en paneles en lugar de PCB individuales porque esto es eficiente. La panelización también puede ser necesaria para placas con componentes colocados cerca de un borde de la placa porque de lo contrario la placa no podría montarse durante el ensamblaje. La mayoría de los talleres de ensamblaje requieren un área libre de al menos 10 mm alrededor de la placa.

El panel se divide en PCB individuales a lo largo de perforaciones o ranuras en el panel ^[36] mediante fresado o corte. Para los paneles fresados, la distancia habitual entre las placas individuales es de 2 a 3 mm. Hoy en día, el despanelado se realiza a menudo mediante láseres que cortan la placa sin contacto. El despanelado con láser reduce la tensión en los circuitos frágiles, lo que mejora el rendimiento de las unidades sin defectos.

El primer paso es replicar el patrón en el sistema CAM del fabricante sobre una máscara protectora en las capas de cobre de la placa de circuito impreso. El grabado posterior elimina el cobre no deseado que no está protegido por la máscara. (Alternativamente, se puede aplicar una tinta conductora sobre una placa en blanco (no conductora). Esta técnica también se utiliza en la fabricación de circuitos híbridos ).

1. La serigrafía utiliza tintas resistentes al grabado para crear la máscara protectora.
2. El fotograbado utiliza una fotomáscara y un revelador para eliminar selectivamente un revestimiento de fotorresistencia sensible a los rayos UV y así crear una máscara de fotorresistencia que protegerá el cobre que se encuentra debajo. En ocasiones, se utilizan técnicas de obtención de imágenes directas para requisitos de alta resolución. Se han realizado experimentos con resina térmica. ^[37] Se puede utilizar un láser en lugar de una fotomáscara. Esto se conoce como litografía sin máscara o obtención de imágenes directas.
3. El fresado de PCB utiliza un sistema de fresado mecánico de dos o tres ejes para retirar la lámina de cobre del sustrato. Una fresadora de PCB (conocida como "Prototipadora de PCB") funciona de manera similar a un trazador , recibiendo comandos del software anfitrión que controla la posición del cabezal de fresado en los ejes x, y y (si corresponde) z.
4. La ablación por láser de la resistencia implica rociar pintura negra sobre un laminado revestido de cobre y luego colocar la placa en un trazador láser CNC . El láser escanea la PCB y extirpa (vaporiza) la pintura donde no se desea la resistencia. (Nota: la ablación por láser de cobre rara vez se utiliza y se considera experimental. ^{[ Aclaración necesaria ]} )
5. Grabado láser , en el que el cobre se puede eliminar directamente con un láser CNC. Al igual que el fresado de PCB mencionado anteriormente, se utiliza principalmente para la creación de prototipos.
6. El grabado EDM utiliza una descarga eléctrica para eliminar un metal de un sustrato sumergido en un fluido dieléctrico .

El método elegido depende del número de placas a producir y de la resolución requerida.

Gran volumen

• Serigrafía: se utiliza para PCB con características más grandes
• Fotograbado: se utiliza cuando se requieren características más finas.

Pequeño volumen

• Imprima sobre una película transparente y utilícela como máscara fotográfica junto con placas fotosensibles; luego, grabe. (Alternativamente, utilice un fotoplotter de película).
• Ablación por resistencia láser
• Fresado de PCB
• Grabado láser

Aficionado

• Resistencia impresa con láser: impresión con láser sobre papel de transferencia de tóner, transferencia térmica con una plancha o laminador modificado sobre el laminado desnudo, remojo en baño de agua, retoque con un marcador y luego grabe.
• Película de vinilo y resina, marcador no lavable, otros métodos. Requiere mucha mano de obra, solo apto para tableros individuales.

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 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 por burbuja, se hace pasar aire a través del baño de grabador para agitar la solución y acelerar el grabado. El grabado por salpicadura utiliza una paleta impulsada por motor para salpicar las placas 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 de grabador se distribuye sobre las placas 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 velocidades de grabado y altas tasas de producción. ^[38] A medida que se consume más cobre de las placas, el reactivo de grabado se satura y pierde eficacia; los distintos reactivos de grabado tienen distintas capacidades para el cobre, y algunos pueden llegar a tener hasta 150 gramos de cobre por litro de solución. En el uso comercial, los reactivos de grabado 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 reactivo de grabado usado, que es corrosivo y tóxico debido a su contenido de metal. ^[39] El reactivo de grabado elimina el cobre de todas las superficies no protegidas por la resistencia. El "socavamiento" se produce cuando el reactivo de grabado ataca el borde delgado del cobre debajo de la resistencia; esto puede reducir el ancho del conductor y causar circuitos abiertos. Se requiere un control cuidadoso del tiempo de grabado para evitar el socavado. Cuando se utiliza un enchapado metálico como resistencia, puede "sobresalir", lo que puede causar cortocircuitos entre las pistas adyacentes cuando están muy espaciadas. El saliente se puede eliminar cepillando la placa con un cepillo de alambre después del grabado. ^[38]

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 desechos. En el proceso aditivo completo, el laminado desnudo se cubre con una película fotosensible que se fotografía (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 es similar al que se usa para el enchapado 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 proceso semiaditivo es el más común: la placa sin patrón ya tiene una fina capa de cobre sobre ella. Luego se aplica una máscara inversa (a diferencia de una máscara de proceso sustractivo, esta máscara expone aquellas partes del sustrato que eventualmente se convertirán en las pistas). Luego se recubre la placa con cobre adicional en las áreas sin máscara; el cobre se puede recubrir con cualquier peso deseado. Luego se aplican recubrimientos superficiales de estaño-plomo u otros recubrimientos. La máscara se quita y un breve paso de grabado elimina el laminado de cobre original desnudo ahora expuesto de la placa, aislando las pistas individuales. Algunas placas de una sola cara que tienen orificios pasantes recubiertos se fabrican de esta manera. General Electric fabricó equipos de radio para consumidores a fines de la década de 1960 utilizando placas aditivas. El proceso (semi)aditivo se usa comúnmente para placas multicapa, ya que facilita el recubrimiento a través de los orificios para producir vías conductoras en la placa de circuito.

El grabado industrial se realiza generalmente con persulfato de amonio o cloruro férrico . Para PTH (agujeros con revestimiento pasante), se realizan pasos adicionales de deposición electrolítica después de perforar los agujeros, luego se galvaniza el cobre para aumentar el espesor, se apantallan las placas y se recubren con estaño/plomo. El estaño/plomo se convierte en la resistencia, dejando el cobre desnudo para que se grabe. ^[40]

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, una PCB de cuatro capas se puede fabricar partiendo de un laminado revestido de cobre de dos caras, grabando el circuito en ambos lados y luego laminando la capa preimpregnada superior e inferior y la lámina de cobre. Luego se perfora, se reviste y se graba nuevamente para obtener trazas en las capas superior e inferior. ^[41]

Las capas internas se someten a una inspección completa por máquina antes de la laminación porque los errores no se pueden corregir después. Las máquinas de inspección óptica automática (AOI) comparan una imagen de la placa 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 utilizando un láser, lo que reduce la cantidad de PCB que deben desecharse. ^{[42] [43] [44]} Las pistas de PCB pueden tener un ancho de solo 10 micrómetros.

Los orificios que atraviesan una placa de circuito impreso se suelen perforar con brocas recubiertas de carburo de tungsteno . Se utiliza carburo de tungsteno recubierto porque los materiales de la placa son abrasivos. Las brocas de acero de alta velocidad se desafilarían rápidamente, desgarrando el cobre y arruinando la placa. La perforación se realiza con máquinas perforadoras controladas por ordenador, utilizando una lima de perforación o una lima Excellon que describe la ubicación y el tamaño de cada orificio perforado.

Los orificios se pueden hacer conductores mediante galvanoplastia o inserción de ojales metálicos huecos para conectar las capas de la placa. Algunos orificios conductores están destinados a la inserción de cables pasantes para componentes. Otros, que se utilizan para conectar capas de la 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 micro vías y pueden tener diámetros tan pequeños como 10 micrómetros. ^{[45] [46]}

También es posible, mediante perforación a profundidad controlada , perforación láser o perforando previamente las láminas individuales de la PCB antes de la laminación, producir orificios 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 de cobre interna con una capa externa, o vías enterradas cuando conectan dos o más capas internas de cobre y ninguna capa externa. Las máquinas de perforación láser pueden perforar miles de orificios por segundo y pueden utilizar láseres UV o CO2 _. [ ^{47] [48]}

Las paredes de los orificios de las placas con dos o más capas se pueden hacer conductoras y luego galvanizar con cobre para formar orificios pasantes . Estos orificios conectan eléctricamente las capas conductoras de la PCB.

En el caso de las placas multicapa, aquellas con tres capas o más, la perforación suele producir una mancha de los productos de descomposición a alta temperatura del agente adhesivo en el sistema laminado. Antes de poder revestir los orificios, esta mancha debe eliminarse mediante un proceso de desmanchado químico o mediante grabado con plasma . El proceso de desmanchado garantiza que se realice una buena conexión con las capas de cobre cuando se reviste el orificio. En las placas de alta fiabilidad, se realiza un proceso denominado grabado posterior de forma química con un agente de grabado 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 extiendan hacia el orificio y, a medida que se reviste el orificio, se integren con el cobre depositado.

La selección adecuada del enchapado o del acabado de la superficie puede ser fundamental para el rendimiento del proceso, la cantidad de trabajos de reparación, la tasa de fallas en el campo y la confiabilidad. ^[49]

Las PCB pueden estar recubiertas con soldadura, estaño u oro sobre níquel. ^{[50] [51]}

Después de grabar las PCB y enjuagarlas con agua, se aplica la máscara de soldadura y luego el cobre expuesto se recubre con soldadura, níquel/oro o algún otro revestimiento anticorrosión. ^[52]

Es importante utilizar soldadura compatible tanto con la PCB como con las piezas utilizadas. Un ejemplo es la matriz de bolas (BGA) que utiliza bolas de soldadura de estaño-plomo para las conexiones que pierden sus bolas en las pistas de cobre desnudo o que utilizan pasta de soldadura sin plomo.

Otros recubrimientos utilizados son el conservante de soldabilidad orgánico (OSP), plata de inmersión (IAg), estaño de inmersión (ISn), recubrimiento de oro de inmersión de níquel químico (ENIG), oro de inmersión de níquel químico y paladio químico (ENEPIG) y recubrimiento de oro directo (sobre níquel). Los conectores de borde , colocados a lo largo de un borde de algunas placas, a menudo se niquelan y luego se recubren con oro usando ENIG. Otra consideración del recubrimiento es la rápida difusión del metal de recubrimiento 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), eliminando el recubrimiento 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. ^{[53] [54]} Se sabe que la plata, el zinc y el aluminio desarrollan filamentos conductores bajo la influencia de un campo eléctrico. La plata también desarrolla caminos superficiales conductores en presencia de haluro y otros iones, lo que la convierte en una mala opción para uso electrónico. El estaño desarrollará "filamentos" debido a la tensión en la superficie revestida. El revestimiento de estaño-plomo o soldadura también desarrolla filamentos, solo se reduce al reducir el porcentaje de estaño. El reflujo para fundir la soldadura o la placa de estaño para aliviar la tensión superficial reduce la incidencia de filamentos. Otro problema del recubrimiento es la plaga del estaño , la transformación del estaño en un alótropo en polvo a baja temperatura. ^[55]

Las áreas que no deben soldarse pueden cubrirse con una máscara de soldadura . La máscara de soldadura es lo que le da a las PCB su característico color verde, aunque también está disponible en varios otros colores, como rojo, azul, violeta, amarillo, negro y blanco. Una de las máscaras de soldadura más comunes que se usan hoy en día se llama "LPI" ( máscara de soldadura fotoimagen líquida ). ^[56]   Se aplica un revestimiento fotosensible a la superficie de la PWB, luego se expone a la luz a través de la película de imagen de la máscara de soldadura y finalmente se revela donde las áreas no expuestas se lavan. La máscara de soldadura de película seca es similar a la película seca que se usa para obtener la imagen de la PWB para enchapado o grabado. Después de laminarse a la superficie de la PWB, se obtiene la 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 máscara de soldadura también brinda protección contra el medio ambiente al cobre que de otra manera estaría expuesto.

Una leyenda (también conocida como serigrafía ) suele estar impresa en uno o ambos lados de la placa de circuito impreso. Contiene los indicadores de los componentes , las configuraciones de los interruptores, los puntos de prueba y otras indicaciones útiles para ensamblar, probar, reparar y, a veces, usar la placa de circuito impreso.

Hay tres métodos para imprimir la leyenda:

1. La serigrafía con tinta epoxi fue el método establecido, lo que dio lugar al nombre alternativo.
2. La fotografía líquida es un método más preciso que la serigrafía.
3. La impresión por inyección de tinta se utiliza cada vez más. La inyección de tinta puede imprimir datos variables, únicos para cada unidad PWB, como texto o un código de barras con un número de serie .

Las placas que no tienen componentes instalados suelen probarse en placa desnuda para detectar "cortocircuitos" y "circuitos abiertos". Esto se denomina prueba eléctrica o prueba electrónica de PCB . Un cortocircuito es una conexión entre dos puntos que no deberían estar conectados. Un circuito abierto es una conexión faltante entre puntos que deberían estar conectados. Para la producción de gran volumen, un accesorio como una "cama de clavos" en un adaptador de aguja rígido hace contacto con las pistas de cobre en la placa. El accesorio o adaptador tiene un costo fijo significativo y este método solo es económico para la producción de gran volumen o de alto valor. Para la producción de volumen pequeño o mediano, se utilizan comprobadores de sondas volantes donde las sondas de prueba se mueven sobre la placa mediante un accionamiento XY para hacer contacto con las pistas de cobre. No hay necesidad de un accesorio y, por lo tanto, los costos fijos son mucho más bajos. El sistema CAM indica al comprobador 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 se "rellena") con componentes electrónicos para formar un conjunto de circuito impreso funcional (PCA), a veces llamado "conjunto de placa de circuito impreso" (PCBA). ^{[57] [58]} En la tecnología de orificio pasante , los cables de los componentes se insertan en orificios rodeados de almohadillas conductoras ; los orificios mantienen los componentes en su lugar. En la tecnología de montaje superficial (SMT), el componente se coloca en la PCB de modo que los pines 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 superficial se aplican a ambos lados de la placa, los componentes del lado inferior se pegan a la placa. Tanto en el orificio pasante como en el montaje superficial, los componentes se sueldan ; una vez enfriados y solidificados, la soldadura mantiene los componentes en su lugar de forma permanente y los conecta eléctricamente a la placa.

Hay una variedad de técnicas de soldadura que se utilizan para unir componentes a una PCB. La producción de alto volumen generalmente se realiza con una máquina de selección y colocación y soldadura por ola a granel para piezas de orificio pasante u hornos de reflujo para componentes SMT o piezas de orificio pasante, pero los técnicos capacitados pueden soldar a mano piezas muy pequeñas (por ejemplo, paquetes 0201 que son de 0,02 pulgadas por 0,01 pulgadas) ^[59] bajo un microscopio , utilizando pinzas y un soldador de punta fina , para prototipos de pequeño volumen. La soldadura selectiva se puede utilizar 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 utilizarían en la producción de alto volumen no son preocupaciones.

A menudo, la construcción con orificio pasante y montaje en superficie debe combinarse en un solo conjunto porque algunos componentes necesarios están disponibles solo en paquetes de montaje en superficie, mientras que otros están disponibles solo en paquetes de orificio pasante. O, incluso si todos los componentes están disponibles en paquetes de orificio pasante, puede ser conveniente aprovechar las reducciones de tamaño, peso y costo que se pueden obtener al usar algunos dispositivos de montaje en superficie disponibles. Otra razón para usar ambos métodos es que el montaje con orificio pasante 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 un estrés sustancial a la interfaz PCB-conector), mientras que los componentes que se espera que no se toquen ocuparán menos espacio utilizando técnicas de montaje en superficie. Para una comparación más detallada, consulte la página SMT .

Una vez completado el tablero, se puede probar de distintas maneras:

• Mientras la energía está apagada, inspección visual , inspección óptica automatizada . Las pautas JEDEC para la colocación, soldadura e inspección de componentes de PCB se utilizan comúnmente para mantener el control de calidad en esta etapa de fabricación de PCB.
• Mientras la energía está apagada, análisis de firma analógica , prueba de apagado .
• Mientras la energía está encendida, se realiza una prueba en el circuito , donde se pueden realizar mediciones físicas (por ejemplo, voltaje).
• Mientras el dispositivo está encendido, realice una prueba funcional , simplemente verificando si la PCB hace lo que fue diseñada para hacer.

Para facilitar estas pruebas, las 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 funciones de prueba de escaneo de límites de algunos componentes. Los sistemas de prueba en circuito también pueden usarse 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 trazas de la 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 circuito integrado 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 .

Las PCB diseñadas para entornos extremos suelen tener un revestimiento conformado , que se aplica por inmersión o pulverización después de que se hayan soldado los componentes. El revestimiento evita la corrosión y las corrientes de fuga o cortocircuito debido a la condensación. Los primeros revestimientos conformados eran de cera ; los revestimientos conformados modernos suelen ser inmersiones de soluciones diluidas de caucho de silicona, poliuretano, acrílico o epoxi. Otra técnica para aplicar un revestimiento conformado es pulverizar plástico sobre la PCB en una cámara de vacío. La principal desventaja de los revestimientos conformados es que el mantenimiento de la placa se vuelve extremadamente difícil. ^[60]

Muchas placas de circuito impreso ensambladas son sensibles a la electricidad 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 los componentes. El daño puede no afectar inmediatamente al funcionamiento, pero puede provocar un fallo prematuro más adelante, causar fallos de funcionamiento intermitentes o provocar una reducción del rango de condiciones ambientales y eléctricas en las que la placa funciona correctamente. Incluso las placas desnudas son a veces sensibles a la electricidad estática: las pistas se han vuelto tan finas que es posible quemar una pista (o cambiar sus características) con una descarga estática. Esto es especialmente cierto en las placas de circuito impreso no tradicionales, como las MCM y las placas de circuito impreso de microondas.

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La construcción con madera de cordón puede ahorrar mucho espacio y se usaba a menudo con componentes con extremos de cable 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 madera de cordón, los componentes con conductores axiales se montaban entre dos planos paralelos. El nombre proviene de la forma en que los componentes con conductores axiales (condensadores, resistencias, bobinas y diodos) se apilan en filas y columnas paralelas, como una pila de leña. Los componentes se soldaban entre sí con un cable puente o se conectaban a otros componentes mediante una delgada cinta de níquel soldada en ángulo recto sobre los conductores del componente. ^[61] Para evitar cortocircuitar diferentes capas de interconexión, se colocaban delgadas tarjetas aislantes entre ellas. Las perforaciones o agujeros en las tarjetas permitían que los conductores de los componentes se proyectaran a través de la siguiente capa de interconexión. Una desventaja de este sistema era que se debían usar componentes especiales con conductores de níquel para permitir que se hicieran soldaduras de interconexión confiables. La expansión térmica diferencial del componente podría ejercer presión sobre los cables de los componentes y las pistas de la 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 con madera de pino utilizaban PCB de un solo lado soldadas como método de interconexión (como se muestra en la imagen), lo que permitía el uso de componentes con cables normales a costa de que fuera difícil retirar las placas o reemplazar cualquier componente que no estuviera en el borde.

Antes de la llegada de los circuitos integrados , este método permitía la mayor densidad de empaquetado de componentes posible; por ello, lo utilizaban varios proveedores de ordenadores, entre ellos Control Data Corporation . El método de construcción de los circuitos impresos en cuerda se utilizó solo en raras ocasiones una vez que los PCB se generalizaron, principalmente en la industria aeroespacial u otros productos electrónicos de densidad extremadamente alta.

Una placa de circuito impreso mínima para un solo componente, utilizada para la creación de prototipos , se denomina placa de conexión . El propósito de una placa de conexión es "separar" los cables de un componente en terminales separados para que se puedan realizar conexiones manuales a ellos fácilmente. Las placas de conexión se utilizan especialmente para componentes de montaje superficial o cualquier componente con un paso de cable fino.

Las PCB avanzadas 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 de la PCB y, al mismo tiempo, mejorar las características eléctricas. ^[62]

Multiwire es una técnica patentada de interconexión que utiliza cables aislados enrutados a máquina e integrados en una matriz no conductora (a menudo resina plástica). ^[63] 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 (generalmente una operación que consume mucho tiempo en el diseño de PCB): en cualquier lugar donde el diseñador necesite una conexión, la máquina dibujará un cable en línea recta desde una ubicación/pin a otro. Esto llevó a tiempos de diseño muy cortos (no se utilizaron algoritmos complejos ni siquiera para diseños de alta densidad), así como a una diafonía reducida (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 económicas cuando se necesitan grandes cantidades.

Se pueden realizar correcciones en el diseño de una placa Multiwire con mayor facilidad que en el de una PCB. ^[64]

Las placas de circuitos impresos se han utilizado como una alternativa a su uso típico para la 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 reacción en cadena de la polimerasa (PCR), y celdas de combustible, por nombrar algunos. ^[65]

Los fabricantes pueden no ofrecer reparaciones a nivel de componentes de placas de circuitos impresos debido al costo relativamente bajo de reemplazo en comparación con el tiempo y el costo de la resolución de problemas a nivel de componentes. 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 de un fabricante, pero también es materialmente derrochador, ya que una placa de circuito con cientos de componentes funcionales puede descartarse y reemplazarse debido a la falla de una pieza menor y económica, como una resistencia o un capacitor. Esta práctica contribuye significativamente al problema de los desechos electrónicos . ^[66]

En muchos países (incluidos todos los participantes del Mercado Único Europeo , ^[67] el Reino Unido , ^[68] 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 sin plomo y soldadura sin plomo, y los componentes adjuntos deben ser ellos mismos compatibles. ^{[69] [70]}

La norma de seguridad UL 796 cubre los requisitos de seguridad de los componentes para placas de circuito impreso que se utilizan como componentes en dispositivos o aparatos. Las pruebas analizan características como la inflamabilidad, la temperatura máxima de funcionamiento , la trayectoria eléctrica, la deflexión térmica y el soporte directo de piezas eléctricas activas.

• Tablero de circuitos
• Diseñador de interconexiones certificado : calificación para diseñadores de PCB
• Proceso Occam : método de fabricación de placas de circuito sin soldadura
• BT-Epoxy : resina utilizada en PCB

• Tavernier, Karel (septiembre de 2015). "Datos de fabricación de PCB: transferencia de datos del diseño a la fabricación" (PDF) . V6. Archivado (PDF) del original el 8 de marzo de 2022. Consultado el 9 de mayo de 2022 .(45 páginas)
• Colotti, James (2022). "Consideraciones analógicas, de RF y de EMC en el diseño de placas de circuito impreso (PWB)" (PDF) . Revisión 5. IEEE , Sección de Long Island. Archivado (PDF) desde el original el 8 de mayo de 2022. Consultado el 9 de mayo de 2022 .(81 páginas)

El Wikilibro Electrónica Práctica tiene una página sobre el tema: Diseño de PCB

El Wikilibro Electrónica Práctica tiene una página sobre el tema: tamaños de orificios para piezas con orificios pasantes

• Medios relacionados con Placas de circuito impreso en Wikimedia Commons