Introducción a las placas de circuito impreso y tipos de PCB

¿Qué es una PCB?

Las placas de circuito impreso (PCB) son las placas que se utilizan como base en la mayoría de los dispositivos electrónicos, tanto como pieza de soporte físico como área de cableado para los componentes montados en superficie y con zócalo. Las PCB se fabrican más comúnmente con fibra de vidrio, resina epoxi compuesta u otro material compuesto.

La mayoría de las PCB para dispositivos electrónicos simples son sencillas y están compuestas por una sola capa. El hardware más sofisticado, como las tarjetas gráficas de computadora o las placas base, puede tener múltiples capas, a veces hasta doce.

Aunque las PCB se asocian con mayor frecuencia a las computadoras, pueden encontrarse enmuchos otros dispositivos electrónicoscomo televisores, radios, cámaras digitales y teléfonos celulares. Además de su uso en la electrónica de consumo y las computadoras, se utilizan diferentes tipos de PCB en una variedad de otros campos, que incluyen:

•Dispositivos médicos. Los productos electrónicos ahora son más compactos y consumen menos energía que las generaciones anteriores, lo que hace posible probar tecnologías médicas nuevas y emocionantes. La mayoría de los dispositivos médicos utilizan unPCB de alta densidad, que se utiliza para crear el diseño más pequeño y denso posible. Esto ayuda a aliviar algunas de las limitaciones únicas relacionadas con el desarrollo de dispositivos para el campo médico debido a la necesidad de un tamaño reducido y un peso ligero. Las PCB se han incorporado en todo, desde dispositivos pequeños, como marcapasos, hasta dispositivos mucho más grandes, como equipos de rayos X o máquinas de tomografía computarizada (TAC).

•Maquinaria industrialLas PCB se utilizan comúnmente en maquinaria industrial de alta potencia. En lugares donde las PCB de cobre de una onza actuales no cumplen los requisitos,PCB de cobre gruesopueden utilizarse en su lugar. Ejemplos de situaciones en las que serían beneficiosas las PCB de cobre más grueso incluyen controladores de motores, cargadores de baterías de alta corriente y probadores de carga industriales.

•IluminaciónA medida que las soluciones de iluminación basadas en LED ganan popularidad debido a su bajo consumo de energía y altos niveles de eficiencia, también lo hacePCB con respaldo de aluminioque se utiliza para fabricarlos. Estas PCB sirven como disipadores de calor y permiten niveles más altos de transferencia de calor que unaPCB estándar. Estas mismas placas de circuito impreso con respaldo de aluminio constituyen la base tanto para las aplicaciones de LED de alto flujo luminoso como para las soluciones de iluminación básicas.

•Industrias automotriz y aeroespacialTanto la industria automotriz como la aeroespacial utilizan PCB flexibles, que están diseñados para soportar los entornos de alta vibración que son comunes en ambos campos. Dependiendo de las especificaciones y el diseño, también pueden ser muy ligeros, lo cual es una necesidad al fabricar piezas para las industrias del transporte. También pueden adaptarse a los espacios reducidos que pueden estar presentes en estas aplicaciones, como dentro de los paneles de instrumentos o detrás del indicador de instrumentos en un tablero.

Existen varios tipos diferentes de placas de circuito, cada una con sus propias especificaciones de fabricación particulares, tipos de materiales y usos:

PCB de una sola capa

Una PCB de una sola capa o de un solo lado es aquella que está hecha de una sola capa de material base o sustrato. Un lado del material base está recubierto con una fina capa de metal. El cobre es el recubrimiento más común debido a lo bien que funciona como conductor eléctrico. Una vez que se aplica el recubrimiento base de cobre, normalmente se aplica una máscara de soldadura protectora, seguida de la última serigrafía para marcar todos los elementos de la placa.

Dado que las PCB de una sola capa/un solo lado solo tienen sus diversos circuitos y componentes soldados en un lado, son fáciles de diseñar y fabricar. Esta popularidad significa que pueden adquirirse a bajo costo, especialmente para pedidos de gran volumen. El modelo de bajo costo y alto volumen hace que se utilicen comúnmente en una variedad de aplicaciones, incluidas calculadoras, cámaras, radios, equipos de sonido estéreo, unidades de estado sólido, impresoras y fuentes de alimentación.

PCB de doble capa

Las PCB de doble capa o de doble cara tienen un material base con una fina capa de metal conductor, como el cobre, aplicada en ambos lados de la placa. Los orificios perforados a través de la placa permiten que los circuitos de un lado se conecten con los circuitos del otro lado.

Los circuitos y componentes de una placa PCB de doble capa suelen conectarse de dos maneras: utilizando orificios pasantes o mediante el uso de montaje en superficie. Una conexión de orificio pasante significa que pequeños cables, conocidos como terminales, se introducen a través de los orificios, y luego cada extremo de los terminales se suelda al componente correspondiente.

Las placas de circuito impreso de montaje superficial no utilizan cables como conectores. En su lugar, muchas pequeñas patillas se sueldan directamente a la placa, lo que significa que la propia placa se utiliza como superficie de cableado para los distintos componentes. Esto permite completar los circuitos utilizando menos espacio, liberando espacio para que la placa pueda realizar más funciones, normalmente a mayores velocidades y con un peso más ligero que el que permitiría una placa de orificio pasante.

Las PCB de doble cara se utilizan normalmente en aplicaciones que requieren un nivel intermedio de complejidad de circuito, como controles industriales, fuentes de alimentación, instrumentación, sistemas HVAC, iluminación LED, tableros de instrumentos automotrices, amplificadores y máquinas expendedoras.

PCB multicapa

Las PCB multicapa consisten en una serie de tres o más PCB de doble cara. Estas placas se fijan entre sí con un pegamento especializado y se intercalan entre piezas de aislamiento para garantizar que el exceso de calor no derrita ninguno de los componentes. Las PCB multicapa vienen en una variedad de tamaños, desde tan solo cuatro capas hasta diez o doce. La PCB multicapa más grande jamás construida tenía 50 capas de grosor.

Con muchas capas deplacas de circuito impreso, los diseñadores pueden crear diseños muy gruesos y complejos que son adecuados para una amplia gama de tareas eléctricas complicadas.Aplicaciones en las que se utilizan PCB multicapaserían beneficiosos incluyen servidores de archivos, almacenamiento de datos, tecnología GPS, sistemas satelitales, análisis meteorológico y equipos médicos.

PCB rígido

Las PCB rígidas están hechas de un material de sustrato sólido que evita que la placa se doble. Posiblemente el ejemplo más común de una PCB rígida sea la placa base de una computadora. La placa base es una PCB multicapa diseñada para distribuir la electricidad desde la fuente de alimentación mientras permite simultáneamente la comunicación entre todas las muchas partes de la computadora, como la CPU, la GPU y la RAM.

Las PCB rígidas constituyen quizá la mayor cantidad de PCB fabricadas. Estas PCB se utilizan en cualquier lugar donde sea necesario que la propia PCB se configure en una forma y permanezca así durante el resto de la vida útil del dispositivo. Las PCB rígidas pueden ser desde una simple PCB de una sola capa hasta una PCB multicapa de ocho o diez capas.

Todas las PCB rígidas tienen estructuras de una sola capa, de doble capa o multicapa, por lo que todas comparten las mismas aplicaciones.

PCB flexible

A diferencia de las PCB rígidas, que utilizan materiales inmóviles como la fibra de vidrio,placas de circuito impreso flexiblesestá hecho de materiales que pueden flexionarse y moverse, como el plástico. Al igual que las PCB rígidas, las PCB flexibles se presentan en formatos de una, dos o múltiples capas. Como necesitan imprimirse en un material flexible, las PCB flexibles cuestan más de fabricar.

Aun así, las PCB flexibles ofrecen muchas ventajas sobre las PCB rígidas. La más destacada de estas ventajas es el hecho de que son flexibles. Esto significa que pueden doblarse sobre bordes y envolverse alrededor de esquinas. Su flexibilidad puede generar ahorros de costo y peso, ya que una sola PCB flexible puede utilizarse para cubrir áreas que podrían requerir múltiples PCB rígidas.

Los PCB flexibles también pueden utilizarse en áreas que podrían estar expuestas a riesgos ambientales. Para ello, simplemente se fabrican con materiales que pueden ser impermeables, a prueba de golpes, resistentes a la corrosión o a aceites de alta temperatura, una opción que los PCB rígidos tradicionales pueden no tener.

PCB rígido-flexible

Circuitos rígido-flexiblescombina lo mejor de ambos mundos cuando se trata de los dos tipos generales más importantes de placas PCB. Las placas rígido-flexibles constan de múltiples capas de PCBs flexibles unidas a varias capas de PCBs rígidas.

Las PCB flex-rígidas tienen muchas ventajas en comparación con el uso exclusivo de PCB rígidas o flexiblespara ciertas aplicaciones. Por un lado, las placas rígido-flexibles tienen una menor cantidad de componentes que las placas rígidas o flexibles tradicionales, porque las opciones de cableado de ambas pueden combinarse en una sola placa. La combinación de placas rígidas y flexibles en una única placa rígido-flexible también permite un diseño más optimizado, reduciendo el tamaño total de la placa y el peso del conjunto.

Los PCB flex-rígidos se encuentran con mayor frecuencia en aplicaciones donde el espacio o el peso son preocupaciones principales, incluyendo teléfonos celulares, cámaras digitales, marcapasos y automóviles.

PCB de alta frecuencia

La PCB de alta frecuencia se refiere a un elemento general de diseño de PCB, en lugar de un tipo de construcción de PCB como los modelos anteriores.PCB de alta frecuenciaestá diseñado para transmitir señales por encima de un gigahercio.

Alta frecuenciaMateriales de PCBa menudo incluyen laminado de epoxi reforzado con fibra de vidrio de grado FR4, resina de polifenileno óxido (PPO) y teflón. El teflón es una de las opciones más caras disponibles debido a su constante dieléctrica pequeña y estable, sus pequeñas pérdidas dieléctricas y su baja absorción de agua en general.

Al elegir una placa de PCB de alta frecuencia y su correspondiente tipo de conector de PCB, deben considerarse muchos aspectos, incluyendo la constante dieléctrica (DK), la disipación, la pérdida y el espesor dieléctrico.

El más importante de ellos es el Dk del material en cuestión. Los materiales con alta probabilidad de cambio en la constante dieléctrica a menudo presentan variaciones en la impedancia, lo que puede alterar los armónicos que componen una señal digital y provocar una pérdida general de la integridad de la señal digital, precisamente una de las cosas que los PCB de alta frecuencia están diseñados para evitar.

Otras cosas a considerar al elegir las placas y los tipos de conectores de PC que se utilizarán al diseñar una PCB de alta frecuencia son:

•Pérdida dieléctrica (DF), lo que afecta la calidad de la transmisión de la señal. Una menor cantidad de pérdida dieléctrica podría provocar una pequeña cantidad de desperdicio de señal.

•Expansión térmicaSi las tasas de expansión térmica de los materiales utilizados para fabricar la PCB, como la lámina de cobre, no son las mismas, entonces los materiales podrían separarse entre sí debido a los cambios de temperatura.

•Absorción de agua. Las grandes cantidades de ingesta de agua afectarán la constante dieléctrica y la pérdida dieléctrica de la PCB, especialmente si se utiliza en entornos húmedos.

•Otras resistenciasLos materiales utilizados en la construcción de una PCB de alta frecuencia deben tener una alta calificación en resistencia al calor, resistencia a impactos y resistencia a productos químicos peligrosos, según sea necesario.

PCB con respaldo de aluminio

Las PCB con respaldo de aluminio se diseñan de manera muy similar a sus contrapartes con respaldo de cobre. Sin embargo, en lugar de la habitual fibra de vidrio utilizada en la mayoría de los tipos de placas PCB,placa de circuito de aluminioutilice una placa de sustrato de aluminio o cobre.

El respaldo de aluminio está revestido con un material aislante térmico diseñado para tener una baja resistencia térmica, lo que significa que se transfiere menos calor desde el material aislante hacia el respaldo. Una vez aplicada la aislación, se aplica una capa de circuito de cobre, con un espesor que varía de una onza a diez.

Las placas de circuito impreso con respaldo de aluminio tienen muchas ventajassobre PCB con un soporte de fibra de vidrio, incluyendo:

•Bajo costo. El aluminio es uno de los metales más abundantes de la Tierra y constituye el 8,23% del peso del planeta. El aluminio es fácil y barato de extraer, lo que ayuda a reducir los costos en el proceso de fabricación. Por lo tanto, fabricar productos con aluminio es menos costoso.

•Respetuoso con el medio ambiente. El aluminio es no tóxico y fácilmente reciclable. Debido a su facilidad de montaje, fabricar placas de circuito impreso de aluminio también es una buena manera de conservar energía.

•Disipación de calor. El aluminio es uno de los mejores materiales disponibles para disipar el calor de los componentes cruciales de las placas de circuito. En lugar de dispersar el calor hacia el resto de la placa, transfiere el calor al aire libre. Una PCB de aluminio se enfría más rápido que una PCB de cobre de tamaño equivalente.

•Durabilidad del material. El aluminio es mucho más duradero que materiales como la fibra de vidrio o la cerámica, especialmente en pruebas de caída. El uso de materiales base más resistentes ayuda a reducir los daños durante la fabricación, el envío y la instalación.

Todas estas ventajas hacen que las PCB de aluminio sean una excelente opción para aplicaciones que requieren altas potencias con tolerancias muy estrictas, incluidas las luces de tráfico, la iluminación automotriz, las fuentes de alimentación, los controladores de motores y los circuitos de alta corriente.

Además de esas áreas principales de uso, las PCB con respaldo de aluminio también pueden emplearse en aplicaciones que requieren un alto grado de estabilidad mecánica o en las que la PCB pueda estar sometida a elevados niveles de esfuerzo mecánico. Son menos susceptibles a la expansión térmica que una placa basada en fibra de vidrio, lo que significa que los demás materiales de la placa, como la lámina de cobre y el aislamiento, tendrán menos probabilidades de desprenderse, prolongando aún más la vida útil del producto.

A lo largo de los años, las PCB han evolucionado desde las sencillas PCB de una sola capa utilizadas en dispositivos electrónicos como calculadoras hasta sistemas más complejos, como los diseños de teflón de alta frecuencia. Las PCB se han abierto camino en casi todas las industrias del planeta, desde la electrónica sencilla, como las soluciones de iluminación, hasta industrias más complejas, como la tecnología médica o aeroespacial.

La evolución de las PCB también ha impulsado un desarrollo en los materiales de construcción de PCB: ya no se fabrican únicamente con láminas de cobre sobre fibra de vidrio. Los nuevos materiales de construcción incluyen aluminio, teflón e incluso plásticos flexibles. Los plásticos flexibles y el aluminio, en particular, han impulsado la creación de productos como las PCB rígido-flexibles y las PCB con respaldo de aluminio para abordar los problemas comunes asociados con muchas industrias.

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