También se fabrican de celuloide con pistas de pintura conductora cuando se requiere que sean flexibles para conectar partes con movimiento entre sí, evitando los problemas del cambio de estructura cristalina del cobre, que hace quebradizos los conductores de cables y placas.
La producción de las PCB y el montaje de los componentes puede ser automatizada.1? Esto permite que en ambientes de producción en masa, sean más económicos y fiables que otras alternativas de montaje (p. e.: wire-wrap o entorchado, ya pasado de moda).
En otros contextos, como la construcción de prototipos basada en ensamblaje manual, la escasa capacidad de modificación una vez construidos y el esfuerzo que implica la soldadura de los componentes2? hace que las PCB no sean una alternativa óptima. Igualmente, se fabrican placas con islas y / barras conductoras para los prototipos, algunas según el formato de las Protoboards.
La organización IPC (Institute for Printed Circuits), ha generado un conjunto de estándares que regulan el diseño, ensamblado y control de calidad de los circuitos impresos, siendo la familia IPC-2220 una de las de mayor reconocimiento en la industria. Otras organizaciones, también contribuyen con estándares relacionados, como por ejemplo: Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI), American National Standards Institute), Comisión Electrotécnica Internacional (IEC, International Engineering Consortium), Alianza de Industrias Electrónicas (EIA, Electronic Industries Alliance), y Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC).
Historia
Probablemente, el inventor del circuito impreso fue el ingeniero austríaco Paul Eisler (1907-1995), que mientras trabajaba en Inglaterra, fue quien fabricó un circuito impreso como parte de una radio, alrededor de 1936.3? Aproximadamente en 1943, en los Estados Unidos comenzaron a usar esta tecnología a gran escala para fabricar radios robustas, con la finalidad de usarlas en la Segunda Guerra Mundial. Después de la guerra, en 1948, EE.UU. liberó la invención para su uso comercial.[cita requerida] Los circuitos impresos no se volvieron populares en la electrónica de consumo hasta mediados de 1950, cuando el proceso de “auto-ensamblaje” fue desarrollado por la Armada de los Estados Unidos.
Antes que los circuitos impresos (y por un tiempo después de su invención), la conexión “punto a punto” era la más usada. Para prototipos, o producción de pequeñas cantidades, el método wire wrap puede considerarse más eficiente.[cita requerida]
Originalmente, cada componente electrónico tenía pines de cobre o latón de varios milímetros de longitud, y el circuito impreso tenía orificios taladrados para cada pin del componente. Los pines de los componentes atravesaban los orificios y eran soldados a las pistas del circuito impreso. Este método de ensamblaje es llamado agujero pasante o through-hole.[cita requerida] En 1949, Moe Abramson y Stanilus F. Danko, de la United States Army Signal Corps, desarrollaron el proceso de auto-ensamblaje, en donde las pines de los componentes eran insertadas en una lámina de cobre con el patrón de interconexión, y luego eran soldadas.[cita requerida] Con el desarrollo de la laminación de tarjetas y técnicas de grabados, este concepto evolucionó en el proceso estándar de fabricación de circuitos impresos usado en la actualidad. La soldadura se puede hacer automáticamente pasando la tarjeta sobre un flujo de soldadura derretida, en una máquina de soldadura por ola.[cita requerida]
El costo asociado con la perforación de los orificios y el largo adicional de las pines, se elimina al utilizar dispositivo de montaje superficial (tecnología de montaje superficial).
Composición física
La mayoría de los circuitos impresos están compuestos por entre una a dieciséis capas conductoras, separadas y soportadas por capas de material aislante (sustrato) laminadas (pegadas) entre sí. Normalmente, la cantidad de capas de una PCB depende de la cantidad de señales que se quieren rutar.
Las capas pueden conectarse a través de orificios, llamados vías. Los orificios pueden ser electorecubiertos; para conectar cada capa del circuito, el fabricante mediante un proceso químico, deposita en todas las superficies expuestas del panel, incluyendo las paredes del agujero una fina capa de cobre químico, esto crea una base metálica de cobre puro; o también se pueden utilizar pequeños remaches. Los circuitos impresos de alta densidad pueden tener “vías ciegas”, que son visibles en solo un lado de la tarjeta, o “vías enterradas”, que no son visibles en el exterior de la tarjeta.
Sustratos
Los sustratos de los circuitos impresos utilizados en la electrónica de consumo de bajo costo, se hacen de papel impregnado de resina fenólica, a menudo llamados por su nombre comercial: Pértinax. Usan designaciones como XXXP, XXXPC y FR-2. El material es de bajo costo, fácil de mecanizar y causa menos desgaste de las herramientas que los sustratos de fibra de vidrio reforzados (la más conocida es la FR-4). Las letras "FR" en la designación del material indican "retardante de llama" (Flame Retardant, en inglés).
Los sustratos para los circuitos impresos utilizados en la electrónica industrial y de consumo de alto costo, están hechos típicamente de un material designado FR-4. Estos consisten en un material de fibra de vidrio, impregnados con una resina epóxica resistente a las llamas. Pueden ser mecanizados, pero debido al contenido de vidrio abrasivo, requiere de herramientas hechas de carburo de tungsteno en la producción de altos volúmenes. Debido al reforzamiento de la fibra de vidrio, exhibe una resistencia a la flexión alrededor de 5 veces más alta que el Pertinax, aunque a un costo más alto.
Los sustratos para los circuitos impresos de circuitos de radio en frecuencia de alta potencia usan plásticos con una constante dieléctrica (permitividad) baja, tales como Rogers® 4000, Rogers® Duroid, DuPont Teflón (tipos GT y GX), poliamida, poliestireno y poliestireno entrecruzado. Típicamente tienen propiedades mecánicas más pobres, pero se considera que es un compromiso de ingeniería aceptable, en vista de su desempeño eléctrico superior.
Los circuitos impresos utilizados en el vacío o en gravedad cero, como en una nave espacial, al ser incapaces de contar con el enfriamiento por convección, a menudo tienen un núcleo grueso de cobre o aluminio para disipar el calor de los componentes electrónicos.
No todas las tarjetas usan materiales rígidos. Algunas son diseñadas para ser muy o ligeramente flexibles, usando DuPont's Kapton film de poliamida y otros. Esta clase de tarjetas, a veces llamadas “circuitos flexibles”, o “circuitos rígido-flexibles”, respectivamente, son difíciles de crear, pero tienen muchas aplicaciones. A veces son flexibles para ahorrar espacio (los circuitos impresos dentro de las cámaras y auriculares son casi siempre circuitos flexibles, de tal forma que puedan doblarse en el espacio disponible limitado. En ocasiones, la parte flexible del circuito impreso se utiliza como cable o conexión móvil hacia otra tarjeta o dispositivo. Un ejemplo de esta última aplicación es el cable que conecta el cabezal en una impresora de inyección de tinta.
Características básicas del sustrato
- Mecánicas
- Suficientemente rígidos para mantener los componentes.
- Fácil de taladrar.
- Sin problemas de laminado.
- Químicas
- Metalizado de los taladros.
- Retardante de las llamas.
- No absorbe demasiada humedad.
- Térmicas
- Disipa bien el calor.
- Coeficiente de expansión térmica bajo para que no se rompa.
- Capaz de soportar el calor en la soldadura.
- Capaz de soportar diferentes ciclos de temperatura.
- Eléctricas
- Constante dieléctrica baja, para tener pocas pérdidas.
- Rigidez dieléctrica (punto de ruptura dieléctrica) elevada.
Diseño
Usualmente un ingeniero (eléctrico o electrónico) diseña el circuito y un especialista diseña el circuito impreso. El diseñador debe obedecer numerosas normas para diseñar un circuito impreso que funcione correctamente y que al mismo tiempo sea barato de fabricar.
Automatización de diseño electrónico
Los diseñadores de circuitos impresos a menudo utilizan programas de automatización de diseño electrónico (EDA, por sus siglas en inglés), para distribuir e interconectar los componentes. Estos programas almacenan información relacionada con el diseño, facilita la edición, y puede también automatizar tareas repetitivas.
La primera etapa es convertir el esquema en una lista de nodos (net list en inglés). La lista de nodos es una lista de los pines (o patillas) y nodos del circuito, a los que se conectan los pines de los componentes. Usualmente el programa de “captura de esquemáticos”, utilizado por el diseñador del circuito, es responsable de la generación de la lista de nodos, y esta lista es posteriormente importada en el programa de ruteo.
El siguiente paso es determinar la posición de cada componente. La forma sencilla de hacer esto es especificar una rejilla de filas y columnas, donde los dispositivos deberían ir. Luego, el programa asigna el pin 1 de cada dispositivo en la lista de componentes, a una posición en la rejilla. Típicamente, el operador puede asistir a la rutina de posicionamiento automático al especificar ciertas zonas de la tarjeta, donde deben ir determinados grupos de componentes. Por ejemplo, a las partes asociadas con el subcircuito de la fuente de alimentación se les podría asignar una zona cercana a la entrada al conector de alimentación. En otros casos, los componentes pueden ser posicionados manualmente, ya sea para optimizar el desempeño del circuito, o para poner componentes tales como perillas, interruptores y conectores, según lo requiere el diseño mecánico del sistema.
El programa luego expande la lista de componentes en una lista completa de todos los pines para la tarjeta, utilizando plantillas de una biblioteca de footprints asociados a cada tipo de componentes. Cada footprint es un mapa de los pines de un dispositivo, usualmente con la distribución de los pad y perforaciones recomendadas. La biblioteca permite que los footprint sean dibujados solo una vez, y luego compartidos por todos los dispositivos de ese tipo.
En algunos sistemas, los pads de alta corriente son identificados en la biblioteca de dispositivos, y los nodos asociados son etiquetados para llamar la atención del diseñador del circuito impreso. Las corrientes elevadas requieren de pistas más anchas, y el diseñador usualmente determina este ancho.
Luego el programa combina la lista de nodos (ordenada por el nombre de los pines) con la lista de pines (ordenada por el nombre de cada uno de los pines), transfiriendo las coordenadas físicas de la lista de pines a la lista de nodos. La lista de nodos es luego reordenada, por el nombre del nodo.
Algunos sistemas pueden optimizar el diseño al intercambiar la posición de las partes y puertas lógicas para reducir el largo de las pistas de cobre. Algunos sistemas también detectan automáticamente los pines de alimentación de los dispositivos, y generan pistas o vías al plano de alimentación o conductor más cercano.
Luego el programa trata de rutear cada nodo en la lista de señales-pines, encontrando secuencias de conexión en las capas disponibles. A menudo algunas capas son asignadas a la alimentación y a la tierra, y se conocen como plano de alimentación y tierra respectivamente. Estos planos ayudan a blindar los circuitos del ruido.
El problema de ruteo es equivalente al problema del vendedor viajero, y es por lo tanto NP-completo, y no se presta para una solución perfecta. Un algoritmo práctico de ruteo es elegir el pin más lejano del centro de la tarjeta, y luego usar un “algoritmo codicioso” para seleccionar el siguiente pin más cercano con la señal del mismo nombre.
Después del ruteo automático, usualmente hay una lista de nodos que deben ser ruteados manualmente.
Una vez ruteado, el sistema puede tener un conjunto de estrategias para reducir el costo de producción del circuito impreso. Por ejemplo, una rutina podría suprimir las vías innecesarias (cada vía es una perforación, que cuesta dinero). Otras podrían redondear los bordes de las pistas, y ensanchar o mover las pistas para mantener el espacio entre estas dentro de un margen seguro. Otra estrategia podría ser ajustar grandes áreas de cobre de tal forma que ellas formen nodos, o juntar áreas vacías en áreas de cobre. Esto permite reducir la contaminación de los productos químicos utilizados durante el grabado y acelerar la velocidad de producción.
Algunos sistemas tienen “comprobación de reglas de diseño” para validar la conectividad eléctrica y separación entre las distintas partes, compatibilidad electromagnética, reglas para la manufactura, ensamblaje y prueba de las tarjetas, flujo de calor y otro tipo de errores.
La serigrafía, máscara antisoldante y plantilla para la pasta de soldar, a menudo se diseñan como capas auxiliares.
Fuentes
Artículo: "Circuito impreso" Publicado en https://es.wikipedia.org. consultado el 26 Agosto 2019.
URL: https://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_impreso
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