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Cómo hacer una placa de circuito
Nov 29, 2017

Cómo hacer una placa de circuito

 

La fabricación de PCB consta de muchos pasos.

PCB CAM

La manufactura comienza desde   Datos de fabricación de PCB   generado por   diseño asistido por computadora , como imágenes de capa de Gerber, archivos de perforación de Gerber o Excellon, IPC-D-356   netlist   e información de componentes.   Los archivos de Gerber o Excellon en los datos de fabricación nunca se usan directamente en el equipo de fabricación, pero siempre se leen en el software CAM (Computer Aided Manufacturing). CAM realiza las siguientes funciones:

1.    Entrada de los datos de fabricación.

2.    Verificación de los datos; opcionalmente DFM

3.    Compensación por desviaciones en los procesos de fabricación (por ejemplo, escala para compensar las distorsiones durante la laminación)

4.    Panelización

5.    Salida de las herramientas digitales ( patrones de cobre ,   imagen de resistencia a la soldadura ,   imagen de leyenda ,   archivos de perforación ,   datos automatizados de inspección óptica ,   archivos de prueba eléctrica , ...)

Panelización

Panelización es un procedimiento mediante el cual se agrupan varios PCB para su fabricación en una placa más grande: el panel. Por lo general, un panel consta de un diseño único, pero a veces se mezclan varios diseños en un solo panel. Hay dos tipos de paneles: los paneles de ensamblaje, a menudo llamados arreglos, y los paneles de fabricación de tableros descubiertos. Los ensambladores a menudo montan componentes en paneles en lugar de PCB individuales porque esto es eficiente.   Los fabricantes de tableros descubiertos siempre usan paneles, no solo por su eficiencia, sino también por los requisitos del proceso de chapado. Por lo tanto, un panel de fabricación puede consistir en una agrupación de PCB individuales o de matrices, según lo que deba entregarse.

El panel finalmente se divide en PCB individuales; esto se llama depaneling. La separación de los PCB individuales con frecuencia se ve favorecida por las perforaciones de perforación o enrutamiento a lo largo de los límites de los circuitos individuales, al igual que   hoja de sellos postales Otro método, que requiere menos espacio, es cortar las ranuras en forma de V en toda la dimensión del panel. Los PCB individuales pueden romperse a lo largo de esta línea de debilidad.   En la actualidad, el depaneling se hace a menudo con láser que corta la placa sin contacto. La panelización láser reduce el estrés en los circuitos frágiles.

Patrón de cobre

El primer paso es replicar el patrón en el sistema CAM del fabricante en una máscara protectora en las capas de PCB de aluminio. Grabado posterior elimina el cobre no deseado. (Alternativamente, una tinta conductiva puede ser inyectada con tinta en una placa en blanco (no conductiva). Esta técnica también se usa en la fabricación de   circuitos híbridos )

1.    Serigrafía   usa tintas resistentes al grabado para crear la máscara protectora.

2.    Fotograbado   utiliza una fotomáscara y un desarrollador para eliminar selectivamente un recubrimiento fotorresistente sensible a los rayos UV y así crear una máscara fotorresistente. Las técnicas de imagen directa a veces se utilizan para requisitos de alta resolución. Los experimentos se realizaron con resistencia térmica.

3.    Fresado de PCB   utiliza un sistema de fresado mecánico de dos o tres ejes para fresar la lámina de cobre del sustrato. Una fresadora de PCB (conocida como 'PCB Prototyper') funciona de forma similar a una   plotter , recibe comandos del software del host que controla la posición del cabezal de fresado en el eje x, y, y (si corresponde) z.

4.    Ablación con láser resistente   Rocíe pintura negra sobre laminado recubierto de cobre, coloque en   CNC   plotter láser. El raster láser escanea la PCB y elimina (vaporiza) la pintura donde no se desea resistencia. (Nota: la ablación con cobre con láser raramente se usa y se considera experimental.

El método elegido depende de la cantidad de tableros que se producirán y la resolución requerida.

Gran volumen

·          Serigrafía: se utiliza para PCB con características más grandes

·          Fotograbado: se usa cuando se requieren características más finas

Pequeño volumen

·          Imprima en una película transparente y utilícela como una máscara fotográfica junto con tableros fotosensibilizados (es decir, tableros pre sensibilizados), luego etch. (Alternativamente, use un photoplotter de película)

·          Ablación con láser resistente

·          Fresado de PCB

Aficionado

·          Resistencia impresa por láser: imprima con láser sobre papel de transferencia de tóner, transfiera el calor con una plancha o laminador modificado sobre laminados desnudos, sumérjalo en un baño de agua, retoque con un marcador y grabe.

·          Película de vinilo y resist, marcador no lavable, algunos otros métodos. De uso intensivo de mano de obra, solo adecuado para tableros individuales.

Procesos sustractivos, aditivos y semiaditivos

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Los dos métodos de procesamiento utilizados para producir un PWB de doble cara con agujeros pasantes

Los métodos de sustracción eliminan el cobre de una placa enteramente revestida de cobre para dejar solo el patrón de cobre deseado. En los métodos aditivos, el patrón es   electrochapado   sobre un sustrato desnudo usando un proceso complejo. La ventaja del método aditivo es que se necesita menos material y se produce menos desperdicio. En el proceso aditivo completo, el laminado desnudo se cubre con una película fotosensible que se toma imágenes (se expone a la luz a través de una máscara y luego se desarrolla, lo que elimina la película no expuesta). Las áreas expuestas se sensibilizan en un baño químico, que generalmente contiene paladio y similar al que se usa para el recubrimiento de orificios pasantes, lo que hace que el área expuesta sea capaz de unir iones metálicos. El laminado se chapea con cobre en las áreas sensibilizadas. Cuando se quita la máscara, la PCB está terminada.

Semi-aditivo es el proceso más común: el tablero no modelado ya tiene una delgada capa de cobre. 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 trazas). Luego, se platea cobre adicional en el tablero en las áreas sin máscara; el cobre puede ser chapado a cualquier peso deseado. Luego se aplican estaño-plomo u otras planchas de superficie. La máscara se quita y un breve paso de grabado quita el laminado de cobre original desnudo ahora expuesto del tablero, aislando los rastros individuales. Algunas tablas de una sola cara que tienen orificios pasantes están hechas de esta manera.   Energia General   hizo radios de los consumidores a finales de la década de 1960 con placas de aditivos.

El proceso (semi) aditivo se usa comúnmente para tableros multicapa ya que facilita el   chapado a través de los agujeros para producir conductivo   vias   en la placa de circuito.

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Línea de galvanoplastia de cobre PCB en el proceso de recubrimiento de cobre

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PCB en proceso de tener un patrón de cobre plateado (tenga en cuenta que la película azul seca resiste)

Grabado químico

Grabado químico   generalmente se hace con   persulfato de amonio   o   cloruro férrico . Para PTH (orificios pasantes), pasos adicionales de   deposición no electrolítica   se hacen después de perforar los agujeros, luego se galvaniza el cobre para aumentar el espesor, se tapan los paneles y se platean con estaño / plomo. El estaño / plomo se convierte en la resistencia que deja el cobre desnudo para ser grabado.

El método más simple, utilizado para la producción en pequeña escala y, a menudo por los aficionados, es el grabado por inmersión, en el que el tablero está sumergido en una solución de grabado como el cloruro férrico. En comparación con los métodos utilizados para la producción en masa, el tiempo de grabado es largo. El calor y la agitación se pueden aplicar al baño para acelerar la velocidad de ataque. En el grabado de burbujas, el aire pasa a través del baño de ataque para agitar la solución y acelerar el grabado. Splash etching utiliza una paleta accionada por motor para salpicar tablas con grabador; el proceso se ha vuelto comercialmente obsoleto ya que no es tan rápido como el grabado por pulverización. En el grabado por pulverización, la solución de grabado se distribuye sobre las placas mediante boquillas y se recircula mediante bombas. El ajuste del patrón de tobera, la velocidad de flujo, la temperatura y la composición de ataque proporcionan un control predecible de las velocidades de ataque y altas tasas de producción.

A medida que se consume más cobre de las tablas, el grabador se satura y es menos efectivo; diferentes decapantes tienen diferentes capacidades para el cobre, con algunos tan altos como 150 gramos de cobre por litro de solución. En uso comercial, los decapantes se pueden regenerar para restaurar su actividad, y el cobre disuelto se recupera y se vende. El grabado a pequeña escala requiere atención para la eliminación del grabador usado, que es corrosivo y tóxico debido a su contenido de metal.

El grabador elimina cobre en todas las superficies expuestas por la resistencia. "Undercut" ocurre cuando el ataque ataca el borde delgado del cobre debajo de la resistencia; esto puede reducir el ancho de los conductores y causar circuitos abiertos. Se requiere un control cuidadoso del tiempo de grabado para evitar el recorte. Donde el recubrimiento metálico se usa como resistencia, puede "sobresalir" lo que puede causar cortocircuitos entre las huellas adyacentes cuando está muy cercado. El saliente se puede eliminar cepillando con alambre el tablero después del grabado.

Inspección óptica automatizada de capa interna (AOI)

Las capas internas reciben una inspección completa de la máquina antes de la laminación, porque luego los errores no se pueden corregir. El sistema automático de inspección óptica escanea el tablero y lo compara con la imagen digital generada a partir de los datos de diseño originales.

Laminación

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Corte a través de un módulo SDRAM, una PCB de varias capas. Nota la   vía , visible como una banda brillante de color cobre que se extiende entre las capas superior e inferior de la pizarra.

Las placas de circuitos impresos 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 resulta en un producto inseparable de una sola pieza. Por ejemplo, se puede fabricar una PCB de cuatro capas comenzando desde un laminado revestido de cobre de dos lados, grabar los circuitos en ambos lados, luego laminar hasta la preimpregnación superior e inferior y la lámina de cobre. Luego se taladra, se platea y se graba de nuevo para obtener trazas en las capas superior e inferior.

Perforación

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Ojetes (huecos)

Los orificios a través de una PCB generalmente se perforan con un diámetro pequeño   brocas   hecho de sólido recubierto   carburo de tungsteno . Se recomienda el carburo de tungsteno recubierto ya que muchos materiales de cartón son muy abrasivos y la perforación debe ser a altas RPM y alta alimentación para que sea rentable. Las brocas también deben permanecer afiladas para no dañar o rasgar las huellas. La perforación con acero de alta velocidad simplemente no es factible ya que las brocas se desgastarán rápidamente y, por lo tanto, se romperán el cobre y arruinarán las tablas. La perforación es realizada por   automatizado   perforadoras   con ubicación controlada por un   taladradora   o   archivo de perforación Estos archivos generados por computadora también se llaman   taladro controlado numéricamente   (NCD) archivos o " Excellon files ". El archivo de perforación describe la ubicación y el tamaño de cada orificio perforado.

Los orificios pueden hacerse conductores, galvanizando o insertando ojales metálicos (huecos), para conectar eléctricamente y térmicamente las capas de la placa. Algunos orificios conductivos están destinados a la inserción de cables de componentes de orificio pasante. Otros, generalmente más pequeños y utilizados para conectar capas de placa, se llaman   vias .

Cuando se requieren vias muy pequeñas, la perforación con brocas mecánicas es costosa debido a las altas tasas de desgaste y rotura. En este caso, las vías pueden ser   láser perforado -evaporado por   rayos láser Las vías perforadas con láser típicamente tienen un acabado de superficie inferior dentro del orificio. Estos agujeros se llaman   micro vias .

También es posible con   profundidad controlada   taladrar, taladrar mediante láser o taladrar previamente las hojas individuales de la PCB antes de la laminación, para producir agujeros que conecten solo algunas capas de cobre, en lugar de atravesar toda la placa. Estos agujeros se llaman   vias ciegas   cuando conectan una capa interna de cobre a una capa externa, o   Vias enterradas   cuando conectan dos o más capas internas de cobre y ninguna capa exterior.

Las paredes del orificio para tableros con dos o más capas pueden hacerse conductoras y luego galvanizarse con cobre para formar   orificios pasantes . Estos agujeros conectan eléctricamente las capas conductoras de la PCB. Para tableros multicapa, aquellos con tres capas o más, la perforación típicamente produce un   frotis   de los productos de descomposición a alta temperatura del agente de unión en el sistema laminado. Antes de que los agujeros puedan ser plateados, este frotis debe ser eliminado por una sustancia química   de-smear   proceso, o por plasma-etch . El proceso de eliminación de manchas garantiza que se realice una buena conexión con las capas de cobre cuando se tapone el orificio. En tableros de alta confiabilidad, un proceso llamado etch-back se realiza químicamente con un grabador o plasma a base de permanganato de potasio.   El aguafuerte elimina la resina y las fibras de vidrio para que las capas de cobre se extiendan dentro del orificio y, a medida que el orificio se chapea, se vuelven integrales con el cobre depositado.

Enchapado y recubrimiento

Los PCB se platean con soldadura, estaño u oro sobre níquel y una resistencia para   aguafuerte   lejos del cobre subyacente innecesario.

Después de que los PCB se graban y luego se enjuagan con agua, se aplica la máscara de soldadura, y luego cualquier cobre expuesto se recubre con soldadura, níquel / oro u otro recubrimiento anticorrosión.

La soldadura mate generalmente se funde para proporcionar una mejor superficie de unión para el cobre desnudo. Tratamientos, como   benzimidazolethiol , previene la oxidación superficial del cobre desnudo. Los lugares donde se montan los componentes suelen estar chapados porque el cobre desnudo no tratado se oxida rápidamente y, por lo tanto, no se puede soldar fácilmente. Tradicionalmente, cualquier cobre expuesto estaba cubierto con soldadura por   nivelación de soldadura de aire caliente   (HASL) El acabado HASL evita la oxidación del cobre subyacente, garantizando una superficie soldable. [27]   Esta soldadura fue una   estaño - plomo   aleación, sin embargo, nuevos compuestos de soldadura se utilizan ahora para lograr el cumplimiento de la   RoHS   directiva en el   UE , que restringe el uso de plomo. Uno de estos compuestos sin plomo es SN100CL, compuesto por 99,3% de estaño, 0,7% de cobre, 0,05% de níquel y un nominal de 60 ppm de germanio.

Es importante utilizar soldadura compatible tanto con la PCB como con las piezas utilizadas. Un ejemplo es   Ball Grid Array   (BGA) usando bolas de soldadura de plomo y estaño para conexiones que pierden sus bolas en rastros de cobre desnudo o usan pasta de soldadura sin plomo.

Otros recubrimientos utilizados son OSP (protector orgánico de la superficie), plata de inmersión ( IAg ), estaño de inmersión, níquel no electrolítico con recubrimiento de oro de inmersión ( ENIG ), oro de inmersión de paladio sin electricidad de níquel no electrolítico ( ENEPIG ) y directo   oro platino   (Sobre níquel).   Los conectores de borde , colocados a lo largo de un borde de algunas tablas, a menudo son niquelados y dorados . Otra consideración del recubrimiento es la rápida difusión del metal de revestimiento en la soldadura de estaño. Estaño forma intermetálicos como Cu 6 Sn 5   y Ag 3 Cu que se disuelve en Tin liquidus o solidus (@ 50C), eliminando el revestimiento de la superficie o dejando huecos.

Migración electroquímica   (ECM) es el crecimiento de filamentos de metal conductores sobre o en una placa de circuito impreso (PCB) bajo la influencia de una polarización de voltaje de CC.   Se sabe que la plata, el zinc y el aluminio crecen   bigotes   bajo la influencia de un campo eléctrico. La plata también crece conduciendo trayectorias de superficie en presencia de haluros y otros iones, lo que la convierte en una mala elección para el uso de productos electrónicos. El estaño crecerá "bigotes" debido a la tensión en la superficie plateada. Estaño-plomo o soldadura de placas también crece bigotes, solo se reduce por el porcentaje de reemplazo de estaño. El reflujo para fundir la soldadura o la placa de estaño para aliviar el estrés superficial reduce la incidencia de bigotes. Otro problema de recubrimiento es   la plaga del estaño , la transformación del estaño a un alótropo en polvo a baja temperatura.

Aplicación de resistencia a la soldadura

Las áreas que no deben soldarse pueden cubrirse con   resistencia a la soldadura   (máscara para soldar). Uno de los resistores de soldadura más comunes que se usa en la actualidad se llama "LPI" ( máscara de soldadura fotoimpresa líquida ). Se aplica un recubrimiento fotosensible a la superficie del PWB, luego se expone a la luz a través de la película de la imagen de la máscara de soldadura y finalmente se desarrolla donde las áreas no expuestas se eliminan por lavado. La máscara de soldadura de película seca es similar a la película seca utilizada para obtener imágenes del PWB para chapado o grabado. Después de ser laminado a la superficie PWB, se crea una imagen y se desarrolla como LPI. Una vez común, pero ya no se usa comúnmente debido a su baja precisión y resolución, es para imprimir tinta epoxi. La resistencia a la soldadura también brinda protección contra el medio ambiente.

Impresión de leyenda

Una leyenda a menudo se imprime en uno o ambos lados de la PCB. Contiene el   designadores de componentes , ajustes de interruptor, puntos de prueba y otras indicaciones útiles en el montaje, prueba y mantenimiento de la placa de circuito.

Hay tres métodos para imprimir la leyenda.

1.    Serigrafía   la tinta epoxi fue el método establecido. Era tan común que la leyenda a menudo se llamara mal seda o serigrafía.

2.    La imagen líquida es un método más preciso que la impresión de pantalla.

3.    La impresión por inyección de tinta es nueva pero se usa cada vez más. El chorro de tinta puede imprimir datos variables como un texto o   código de barras   con un   número de serie

Prueba de tablero desnudo

Las tablas despobladas son usualmente   bare-test probado   para "cortos" y "abre". Un corto es una conexión entre dos puntos que no deberían estar conectados. Un abierto es una conexión faltante entre los puntos que deberían estar conectados. Para la producción de alto volumen un accesorio o una   adaptador de aguja rígida   hace contacto con tierras de cobre en el tablero. El accesorio o adaptador es un costo fijo significativo y este método es solo económico para producción de gran volumen o alto valor. Para producción de volumen pequeño o mediano   sonda voladora   los comprobadores se usan cuando las sondas de prueba se mueven sobre el tablero por un mecanismo XY para hacer contacto con las tierras de cobre. No es necesario un accesorio y, por lo tanto, los costos fijos son mucho menores. [34]   El sistema CAM   instruye   el comprobador eléctrico para aplicar un voltaje a cada punto de contacto según sea necesario y para verificar que este voltaje aparece en los puntos de contacto apropiados y solo en estos.

Montaje

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PCB con almohadillas de conexión de prueba

En el ensamblaje, la placa base se rellena (o "rellena") con componentes electrónicos para formar un panel funcional.   montaje de circuito impreso   (PCA), algunas veces llamado "ensamble de placa de circuito impreso" (PCBA).   En   tecnología de orificio pasante , los cables de componente se insertan en agujeros rodeados de conductivo   almohadillas ; los agujeros mantienen los componentes en su lugar. En   Tecnología de montaje superficial   (SMT), el componente se coloca en la PCB para que los pines se alineen con el conductor   almohadillas   o   tierras   en las superficies de la PCB; pasta de soldadura, que se aplicó previamente a las almohadillas, mantiene los componentes en su lugar; 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 soporte de superficie, los componentes son entonces   soldado

Hay una variedad de   soldadura   técnicas utilizadas para unir componentes a una PCB. La producción de alto volumen generalmente se realiza con una "máquina de recogida y colocación" o   SMT máquina de colocación   y soldadura a granel ola o   hornos de reflujo , pero los técnicos capacitados pueden soldar partes muy pequeñas (por ejemplo 0201 paquetes que son 0.02 pulg. por 0.01 pulg.) a mano bajo un   microscopio , usando pinzas y un soldador de punta fina   para prototipos de pequeño volumen. Algunas partes no se pueden soldar a mano, como   BGA   paquetes.

Con frecuencia, la construcción con orificio pasante y montaje superficial debe combinarse en un solo ensamblaje porque algunos componentes necesarios están disponibles solo en paquetes de montaje en superficie, mientras que otros están disponibles solo en paquetes de orificios pasantes. Otra razón para utilizar ambos métodos es que el montaje con orificio pasante puede proporcionar la resistencia necesaria para los componentes que pueden soportar estrés físico, mientras que los componentes que se espera que permanezcan intactos ocuparán menos espacio utilizando técnicas de montaje en superficie.   Para una mayor comparación, vea el   SMT página .

Después de que se haya rellenado el tablero, se puede probar de varias formas:

·          Mientras el poder está apagado,   inspección visual ,   inspección óptica automatizada .   JEDEC   las pautas para la colocación, soldadura e inspección de componentes de PCB se usan comúnmente para mantener   control de calidad   en esta etapa de fabricación de PCB.

·          Mientras el poder está apagado,   análisis de firma analógica ,   prueba de apagado .

·          Mientras el poder está encendido,   prueba en circuito , donde se pueden realizar mediciones físicas (por ejemplo, voltaje).

·          Mientras el poder está encendido,   prueba funcional , simplemente comprobando si la PCB hace para lo que fue diseñada.

Para facilitar estas pruebas, los PCB pueden diseñarse con almohadillas adicionales para hacer conexiones temporales. Algunas veces estas almohadillas deben estar aisladas con resistencias. La prueba en circuito también puede ejercer   exploración de límites   características de prueba de algunos componentes. Los sistemas de prueba en circuito también se pueden usar para programar componentes de memoria no volátil en la placa.

En la prueba de escaneo de límites, los circuitos de prueba integrados en varios circuitos integrados en la placa forman conexiones temporales entre las trazas de PCB para probar que los circuitos integrados están montados correctamente. Las pruebas de escaneo de límites requieren que todos los circuitos integrados que se probarán usen un procedimiento de configuración de prueba estándar, el más común es el estándar del grupo de acción conjunta ( JTAG ). los   JTAG   la arquitectura de prueba proporciona un medio para probar interconexiones entre circuitos integrados en una placa sin usar sondas de prueba física.   JTAG   los vendedores de herramientas ofrecen varios tipos de estímulos y sofisticados algoritmos, no solo para detectar las redes que fallan, sino también para aislar las fallas a redes, dispositivos y pines específicos.

Cuando las tablas no pasan la prueba, los técnicos pueden   desoldador   y reemplace los componentes fallidos, una tarea conocida como   retrabajo

Protección y empaque

Los PCB destinados a entornos extremos a menudo tienen   revestimiento de conformación , que se aplica mediante inmersión o pulverización después de que los componentes se hayan soldado. La capa evita la corrosión y las corrientes de fuga o cortocircuitos debido a la condensación. Los primeros abrigos conformes fueron   cera ; Las capas modernas de conformación son generalmente inmersiones de soluciones diluidas de caucho de silicona, poliuretano, acrílico o epoxi. Otra técnica para aplicar un revestimiento de conformación es que el plástico sea   chisporrotear   en la PCB en una cámara de vacío. La principal desventaja de los recubrimientos conformales es que el servicio del tablero se vuelve extremadamente difícil.

Muchos PCB ensamblados son   estático   sensible, y por lo tanto debe ser colocado en   bolsas antiestáticas   durante el transporte. Al manipular estas placas, el usuario debe estar   a tierra (a tierra) . Las técnicas de manejo incorrectas pueden transmitir una carga estática acumulada a través del tablero, dañando o destruyendo componentes. Incluso las tablas desnudas a veces son sensibles a la estática. Los rastros se han vuelto tan finos que es posible soplar un aguafuerte fuera de la tabla (o cambiar sus características) con una carga estática. Esto es especialmente cierto en PCB no tradicionales como   MCM   y PCBs para microondas.


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