Las placas de circuito impreso (PCB) forman la columna vertebral de toda la electrónica importante. Estos inventos milagrosos aparecen en casi todos los dispositivos electrónicos computacionales, incluidos aparatos más simples como relojes digitales, calculadoras, etc. Para los no iniciados, una PCB enruta las señales eléctricas a través de los componentes electrónicos, lo que satisface los requisitos eléctricos y mecánicos del circuito del dispositivo. En pocas palabras, las PCB le indican a la electricidad adónde ir, dando vida a tus dispositivos electrónicos.
Las PCB conducen corriente continua alrededor de su superficie a través de una red de pistas de cobre. El complejo sistema de rutas de cobre determina la función única de cada parte de la placa de circuito PCB.
Antes del diseño de PCB, se recomienda que los diseñadores de circuitos hagan una visita a una fábrica de placas de circuito impreso y se comuniquen cara a cara con los fabricantes sobre sus requisitos de fabricación de PCB. Esto ayuda a evitar que los diseñadores transmitan errores innecesarios durante la etapa de diseño. Sin embargo, a medida que más empresas subcontratan sus solicitudes de fabricación de PCB a proveedores en el extranjero, esto se vuelve poco práctico. Por este motivo, presentamos este artículo con el fin de proporcionar una comprensión adecuada de los pasos del proceso de fabricación de placas PCB. Esperamos que ofrezca a los diseñadores de circuitos y a quienes son nuevos en la industria de las PCB una visión clara de cómo se fabrican las placas de circuito impreso y les ayude a evitar cometer esos errores innecesarios.
Pasos del proceso de fabricación de PCB
Las placas de circuito deben ser rigurosamente compatibles con un diseño de PCB creado por el diseñador medianteSoftware de diseño de PCB. El software de diseño de PCB de uso común incluye Altium Designer, OrCAD, Pads, KiCad, Eagle, etc.NOTA: Antes de la fabricación de la PCB, los diseñadores deben informar a su fabricante por contrato sobre la versión del software de diseño de PCB utilizada para diseñar el circuito, ya que esto ayuda a evitar problemas causados por discrepancias.
Una vez que el diseño de la PCB se aprueba para producción, los diseñadores exportan el diseño a un formato que sus fabricantes admitan. El programa más utilizado se llama Gerber extendido. La campaña publicitaria de comida para bebés de los años 80 buscaba bebés hermosos, y este software crea algunos descendientes bellamente diseñados. Gerber también es conocido por el nombre IX274X.
La industria de PCB dio origen a Gerber extendido como el formato de salida perfecto. Diferentes programas de diseño de PCB posiblemente requieran diferentesPasos para la generación de archivos Gerbertodos codifican información vital completa, incluyendo las capas de seguimiento de cobre, el dibujo de perforaciones, las aberturas, las anotaciones de componentes y otras opciones. En este punto se revisan todos los aspectos del diseño de la PCB. El software ejecuta algoritmos de supervisión sobre el diseño para garantizar que no se pasen por alto errores. Los diseñadores también examinan el plano con respecto a elementos relacionados con el ancho de las pistas, el espaciado del borde de la placa, el espaciado entre pistas y orificios y el tamaño de los orificios.
Después de un examen exhaustivo, los diseñadores envían el archivo PCB a las fábricas de placas de circuito impreso para su producción. Para garantizar que el diseño cumpla los requisitos de las tolerancias mínimas durante el proceso de fabricación, casi todas las casas de fabricación de PCB ejecutanVerificación de diseño para fabricación (DFM)antes de la fabricación de placas de circuito.
Paso 2: Del archivo a la película
La impresión de PCB comienza después de que los diseñadores generan los archivos esquemáticos de la PCB y los fabricantes realizan una verificación DFM. Los fabricantes utilizan una impresora especial llamada trazador (plotter), que crea fotopelículas de las PCB, para imprimir las placas de circuito. Los fabricantes usarán estas películas para transferir la imagen a las PCB. Aunque es una impresora láser, no es una impresora láser estándar. Los trazadores utilizan una tecnología de impresión extremadamente precisa para proporcionar una película altamente detallada del diseño de la PCB.
El producto final da como resultado una lámina de plástico con un fotonegativo de la PCB en tinta negra. Para las capas internas de la PCB, la tinta negra representa las partes conductoras de cobre de la PCB. La parte transparente restante de la imagen indica las áreas de material no conductor. Las capas externas siguen el patrón opuesto: transparente para el cobre, pero el negro se refiere al área que será grabada. El trazador revela automáticamente la película, y esta se almacena de forma segura para evitar cualquier contacto no deseado.
Cada capa de PCB ymáscara de soldadurarecibe su propia lámina de película transparente y negra. En total, una PCB de dos capas necesita cuatro láminas: dos para las capas y dos para la máscara de soldadura. Es importante que todas las películas correspondan perfectamente entre sí. Cuando se usan en armonía, trazan la alineación de la PCB.
Para lograr una alineación perfecta de todas las películas, se deben perforar orificios de registro en todas ellas. La exactitud del orificio se consigue ajustando la mesa sobre la que se coloca la película. Cuando los pequeños ajustes de la mesa conducen a una coincidencia óptima, se perfora el orificio. Los orificios encajarán en los pasadores de registro en el siguiente paso del proceso de imagen.
Paso 3: Impresión de las capas internas: ¿Dónde irá el cobre?
La creación de películas en el paso anterior tiene como objetivo trazar una figura del recorrido de cobre. Ahora es momento de imprimir la figura de la película sobre una lámina de cobre.
Este paso en la fabricación de PCB prepara la producción de la PCB real. La forma básica de una PCB comprende una placa laminada cuyo material central es resina epoxi y fibra de vidrio, también llamados material de sustrato. El laminado sirve como un cuerpo ideal para recibir el cobre que estructura la PCB. El material de sustrato proporciona un punto de partida resistente y a prueba de polvo para la PCB. El cobre está preunido en ambos lados. El proceso consiste en eliminar el cobre para revelar el diseño a partir de las películas.
En la construcción de PCB, la limpieza sí importa. El laminado con cara de cobre se limpia y se introduce en un entorno descontaminado. Durante esta etapa, es vital que no se depositen partículas de polvo sobre el laminado. De lo contrario, una mota de suciedad podría hacer que un circuito se cortocircuite o quede abierto.
A continuación, el panel limpio recibe una capa de película fotosensible llamada fotorresiste. El fotorresiste está compuesto por una capa de sustancias fotoactivas que se endurecen tras la exposición a la luz ultravioleta. Esto garantiza una coincidencia exacta entre las películas fotográficas y el fotorresiste. Las películas se colocan en unos pasadores que las mantienen en su sitio sobre el panel laminado.
La película y la placa se alinean y reciben una ráfaga de luz UV. La luz pasa a través de las partes transparentes de la película, endureciendo la fotorresistencia sobre el cobre subyacente. La tinta negra del trazador impide que la luz llegue a las áreas que no deben endurecerse, y estas se destinan a ser eliminadas.
Después de que la placa queda preparada, se lava con una solución alcalina que elimina cualquier fotorresistente que haya quedado sin endurecer. Un lavado final a presión elimina cualquier otro residuo que quede en la superficie. Luego, la placa se seca.
El producto sale con la resina fotosensible cubriendo correctamente las áreas de cobre que deben permanecer en la forma final. Un técnico examina las placas para asegurarse de que no se produzcan errores durante esta etapa. Toda la resina presente en este punto indica el cobre que aparecerá en la PCB terminada.
Este paso solo se aplica a placas con más de dos capas. Las placas simples de dos capas pasan directamente al taladrado. Las placas de múltiples capas requieren más pasos.
Paso 4: Eliminación del cobre no deseado
Con la fotorresina eliminada y la resina endurecida cubriendo el cobre que deseamos conservar, la placa pasa a la siguiente etapa: la eliminación del cobre no deseado. Así como la solución alcalina eliminó la resina, una preparación química más potente disuelve el exceso de cobre. El baño de solución disolvente de cobre elimina todo el cobre expuesto. Mientras tanto, el cobre deseado permanece completamente protegido bajo la capa endurecida de fotorresina.
No todas las placas de cobre son iguales. Algunas placas más pesadas requieren mayores cantidades de solvente para cobre y diferentes tiempos de exposición. Como nota adicional, las placas de cobre más pesadas requieren atención adicional al espaciado de las pistas. La mayoríaPCB estándardepender de una especificación similar.
Ahora que el disolvente ha eliminado el cobre no deseado, es necesario lavar la resina endurecida que protege el cobre preferido. Otro disolvente realiza esta tarea. La placa ahora brilla solo con el sustrato de cobre necesario para la PCB.
Paso 5: Alineación de Capas e Inspección Óptica
Con todas las capas limpias y listas, las capas requieren perforaciones de alineación para garantizar que todas queden correctamente posicionadas. Los orificios de registro alinean las capas internas con las externas. El técnico coloca las capas en una máquina llamada punzonadora óptica, que permite una correspondencia exacta para que los orificios de registro se perforen con precisión.
Una vez que las capas se colocan juntas, es imposible corregir cualquier error que ocurra en las capas internas. Otra máquina realiza una inspección óptica automática de los paneles para confirmar la ausencia total de defectos. El diseño original de Gerber, que recibió el fabricante, sirve como modelo. La máquina escanea las capas utilizando un sensor láser y procede a comparar electrónicamente la imagen digital con el archivo Gerber original.
Si la máquina detecta una inconsistencia, la comparación se muestra en un monitor para que el técnico la evalúe. Una vez que la capa supera la inspección, pasa a las etapas finales de la producción de PCB.
Paso 6: Superponer y unir
En esta etapa, la placa de circuito toma forma. Todos loscapas separadas esperan su unión. Con las capas listas y confirmadas, simplemente necesitan fusionarse. Las capas exteriores deben unirse con el sustrato. El proceso ocurre en dos pasos: apilado de capas y unión.
El material de la capa exterior consiste en láminas de fibra de vidrio preimpregnadas con resina epoxi. La abreviatura para esto es prepreg. Una fina lámina de cobre también cubre la parte superior e inferior del sustrato original, que contiene los grabados de las pistas de cobre. Ahora es momento de unirlos en forma de sándwich.
La unión se realiza sobre una mesa de acero pesada con abrazaderas metálicas. Las capas encajan firmemente en pernos fijados a la mesa. Todo debe quedar bien ajustado para evitar desplazamientos durante la alineación.
Un técnico comienza colocando una capa de preimpregnado sobre la cavidad de alineación. La capa de sustrato se coloca sobre el preimpregnado antes de colocar la lámina de cobre. Otras láminas de preimpregnado se sitúan encima de la capa de cobre. Finalmente, una lámina de aluminio y una placa de prensado de cobre completan el apilado. Ahora está preparado para el prensado.
Toda la operación se somete a una rutina automática ejecutada por el ordenador de la prensa de unión. El ordenador orquesta el proceso de calentamiento del apilado, el momento en que se debe aplicar presión y cuándo permitir que el apilado se enfríe a una velocidad controlada.
A continuación, se produce una cierta cantidad de desempaquetado. Con todas las capas moldeadas juntas en un súper sándwich de gloria de PCB, el técnico simplemente desempaqueta el producto de PCB multicapa. Es una cuestión sencilla de retirar los pasadores de sujeción y desechar la placa de presión superior. La bondad de la PCB emerge victoriosa desde dentro de su caparazón de placas de prensado de aluminio. La lámina de cobre, incluida en el proceso, permanece para conformar las capas exteriores de la PCB.
Finalmente, se perforan orificios en la placa apilada. Todos los componentes que se añadirán después, como los orificios de conexión de cobre y los elementos con terminales, dependen de la exactitud de los orificios de perforación de precisión. Los orificios se taladran con el grosor de un cabello: la broca alcanza 100 micrones de diámetro, mientras que un cabello promedia 150 micrones.
Para encontrar la ubicación de los puntos de perforación, un localizador de rayos X identifica los lugares adecuados para los objetivos de perforación. Luego, se taladran orificios de registro adecuados para asegurar el apilado para la serie de orificios más específicos.
Antes de perforar, el técnico coloca una placa de material amortiguador debajo del objetivo de perforación para garantizar que se realice un orificio limpio. El material de salida evita cualquier desgarro innecesario cuando la broca sale.
Una computadora controla cada micromovimiento del taladro; es natural que un producto que determina el comportamiento de las máquinas dependa de computadoras. La máquina controlada por computadora utiliza el archivo de perforación del diseño original para identificar los puntos adecuados donde perforar.
Los taladros utilizan husillos accionados por aire que giran a 150.000 rpm. A esta velocidad, podría pensarse que el taladrado ocurre en un instante, pero hay muchos orificios que perforar. Una PCB promedio contiene bastante más de cien puntos de perforación intactos. Durante el taladrado, cada uno necesita su propio momento especial con el taladro, por lo que lleva tiempo. Más tarde, los orificios alojan las vías y los orificios de montaje mecánico de la PCB. La fijación final de estas piezas se realiza después, tras el proceso de metalizado.
Después de que la perforación se complete, el cobre adicional que recubre los bordes del panel de producción se elimina mediante una herramienta de perfilado.
Paso 8: Chapado y Deposición de Cobre
Después del taladrado, el panel pasa al proceso de metalizado. El proceso fusiona las diferentes capas mediante deposición química. Tras una limpieza exhaustiva, el panel se somete a una serie de baños químicos. Durante los baños, un proceso de deposición química deposita una capa delgada —de aproximadamente una micra de espesor— de cobre sobre la superficie del panel. El cobre penetra en los orificios perforados recientemente.
Antes de este paso, la superficie interior de los orificios simplemente deja expuesto el material de fibra de vidrio que constituye el interior del panel. Los baños de cobre cubren completamente, o recubren, las paredes de los orificios. De paso, todo el panel recibe una nueva capa de cobre. Lo más importante es que los nuevos orificios quedan cubiertos. Computadoras controlan todo el proceso de inmersión, extracción y procesamiento.
Paso 9: Imagen de la capa exterior
En el Paso 3, aplicamos fotorresistente al panel. En este paso, lo hacemos de nuevo, excepto que esta vez imprimimos las capas externas del panel con el diseño de la PCB. Comenzamos con las capas en una sala estéril para evitar que cualquier contaminante se adhiera a la superficie de la capa, luego aplicamos una capa de fotorresistente al panel. El panel preparado pasa a la sala amarilla. Las luces UV afectan al fotorresistente. Las longitudes de onda de la luz amarilla no tienen niveles de UV suficientes para afectar al fotorresistente.
Las transparencias de tinta negra se aseguran con pasadores para evitar el desalineamiento con el panel. Con el panel y la plantilla en contacto, un generador los somete a una intensa luz UV, que endurece la fotorresina. Luego, el panel pasa a una máquina que elimina la resina no endurecida, protegida por la opacidad de la tinta negra.
El proceso se presenta como una inversión del de las capas internas. Finalmente, las placas exteriores se someten a una inspección para asegurar que toda la resina fotosensible no deseada haya sido eliminada durante la etapa anterior.
Regresamos a la sala de recubrimiento. Como hicimos en el Paso 8, galvanizamos el panel con una fina capa de cobre. Las secciones expuestas del panel de la etapa de fotorresistencia de la capa externa reciben el recubrimiento electrolítico de cobre. Después de los baños iniciales de recubrimiento de cobre, el panel suele recibir un recubrimiento de estaño, lo que permite eliminar todo el cobre que queda en la placa y que está destinado a ser retirado. El estaño protege la sección del panel que debe permanecer cubierta con cobre durante la siguiente etapa de grabado. El grabado elimina la lámina de cobre no deseada del panel.
Durante esta etapa, el estaño protege el cobre deseado. Se elimina el cobre expuesto no deseado y el cobre que se encuentra debajo de la capa de resina restante. Nuevamente, se aplican soluciones químicas para eliminar el exceso de cobre. Mientras tanto, el estaño protege el cobre valioso durante esta etapa.
Las áreas conductoras y las conexiones ahora están correctamente establecidas.
Paso 12: Aplicación de la máscara de soldadura
Antes de aplicar la máscara de soldadura en ambos lados de la placa, los paneles se limpian y se cubren con una tinta epoxi para máscara de soldadura. Las placas reciben un haz de luz UV que pasa a través de una película fotográfica de máscara de soldadura. Las partes cubiertas permanecen sin endurecer y serán eliminadas.
Finalmente, la placa pasa a un horno para curar la máscara de soldadura.
Paso 13: Acabado de superficie
Para añadir mayor soldabilidad a la PCB, las recubrimos químicamente con oro o plata. Algunas PCBs también reciben almohadillas niveladas por aire caliente durante esta etapa. El nivelado por aire caliente da como resultado almohadillas uniformes. Ese proceso conduce a la generación del acabado superficial. PCBCart puede procesar múltiples tipos deacabado superficialde acuerdo con las demandas específicas de los clientes.
La placa casi terminada recibe escritura por inyección de tinta en su superficie, utilizada para indicar toda la información vital relacionada con la PCB. Finalmente, la PCB pasa a la última etapa de recubrimiento y curado.
Paso 15: Prueba eléctrica
Como última precaución, un técnico realizapruebas eléctricas en la PCB. El procedimiento automatizado confirma la funcionalidad de la PCB y su conformidad con el diseño original. En PCBCart, ofrecemos una versión avanzada de prueba eléctrica llamada Prueba de Sonda Voladora, que depende de sondas móviles para probar el rendimiento eléctrico de cada red en unaplaca de circuito desnuda.
Paso 16: Perfilado y puntuación V
Ahora hemos llegado al último paso: el corte. De la placa original se cortan diferentes placas. El método empleado se centra en el uso de una fresadora o de un canal en V. Una fresadora deja pequeñas lengüetas a lo largo de los bordes de la placa, mientras que el canal en V corta ranuras diagonales a lo largo de ambos lados de la placa. Ambos métodos permiten que las placas se desprendan fácilmente del panel.
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