Publicado : 16/04/2021 ¿Qué es una PCB o placas de circuito impreso y qué tipo hay? - Categorías : Teoría En este artículo conocerás todo lo básico sobre una PCB, su número de capas y como contarlo, los tipos y subtipos según su número de capas, material de fabricación estándar y demás. Conocerás también todos los términos usados en este ámbito, como qué es una placa multicapa, capa rígida-flexible, que son las microvías y vías ciegas o conocer los términos FR4, CEM, Rogers, Arlon y el Teflón. Indice 1. Introducción 2. ¿Qué es una PCB? 3. Tipos de PCB Introducción Las placas de circuito impreso (Printed Circuit Board) están presentes en todos los dispositivos electrónicos de la actualidad, desde ordenadores, móviles o el propio ratón hasta lavadoras. Antes de la aparición de estas placas, todos los aparatos tenían los componentes electrónicos sueltos, llenos de cables, resistencias y circuitos repartidos por todo el chasis. La primera placa se construyó en 1936 por Paul Eisler para ser usada en una radio, y a partir de ahí se empezó a fabricar a gran escala en procesos que se automatizaron. Primero se usó para las radios, pero más tarde comenzó a usarse para todo tipo de componentes. ¿Qué es una PCB? Sabemos ya que está presente en todas partes, pero ¿en qué consiste? Estas placas son un soporte físico en donde se instalan componentes electrónicos y eléctricos, los cuales se interconectan entre ellos según se desea. Estos componentes pueden ser tanto pasivos como activos, ya sean resistencias, condensadores o diodos, como chips o transistores. Cada elemento está conectado mediante una serie de pistas de cobre muy finas que generan un carril conductor, sustituyendo a los cables. Fabricación Actualmente, incluso su fabricación ya no está fuera del alcance del ámbito doméstico y maker, ya que son frecuentes los servicios Online de fabricación de placas PCB a medida. Son muy frecuentes en Asia, puedes a través de internet hacer que en China te fabriquen tu PCB a un modo “low cost” y te la envíen a casa. Pero cada vez más se está expandiendo este tipo de fabricas a Europa, y esperemos que lleguen asequiblemente a todas partes. Estas fábricas permiten que puedas enviar tu propio diseño, mediante el fichero de pistas o “gerber”, y tener pequeñas series con calidad profesional a bajo coste. Gerber es un lenguaje basado en vectores, desarrollado por Gerber Scientific Instrument Company, para enviar comandos a fotoplotters. Las PCB más sencillas tiene una o dos capas, las caras visibles de arriba y por abajo, pero existen de hasta 28 capas. Estas capas de pistas eléctricas provienen de una fina capa de cobre puesto sobre el sustrato, normalmente de fibra de vidrio. El más utilizado actualmente se llama Pértinax que básicamente es un papel cubierto de resina, muy fácil de manejar y de mecanizar. Pero en los equipos de altas prestaciones se utiliza un compuesto llamado FR-4 (Flame Retardant level 4) es que un material de fibra de vidrio cubierto de resina resistente al fuego, del que hablaremos en profundidad más adelante. Al otro lado del sustrato, si tiene otra capa, irá por tanto otra capa de pistas conductoras resultando a modo de sándwich. Cuantas más capas, más largo y complejo es el proceso de fabricación, pero también mas espacio se ahorra en los dispositivos, haciendo que estos puedan ser cada vez más pequeños. Aquí podemos ver la sección transversal de una PCB de 4 capas de cobre con aislamientos FR-4 y RO4003C de diferentes espesores, y con un agujero pasante. De estos agujeros hablaremos también más adelante. Para que una PCB se pueda utilizarse por el usuario, debe tener las pistas de cobre donde irán los componentes. Para ellos el proceso de fabricación es más complejo, pero en resumen podemos decir lo siguiente. Utilizando como referencia la imagen de a continuación, en la capa superior es donde se soldarían los componentes a las pistas. La aplicación máscara de soldadura (soldermask) sobre la capa de cobre (Copper), es un proceso que se lleva a cabo utilizando láminas y luz ultravioleta, exponiendo ciertas áreas a la luz, donde las no expuestas se eliminan posteriormente durante el revelado químico. La máscara de soldadura restante se cura completamente obteniéndose un acabado elástico. A continuación, y después de diversos acabados, se imprime una leyenda o silkscreen que contendrá la información que el diseñador haya querido que aparezca en la PCB. Normalmente se añade el nombre de conectores, códigos de elementos y puertos, marca, etc. Tipos de PCB Las PCB se pueden clasificar por su tipo de laminado, su construcción, sus características eléctricas y según su estructura. Como hemos hablado arriba, las PCB se pueden clasificar por tanto según el número de capas: • Unilateral / bilateral • Multicapa (hasta 28 capas) • Multicapa HDI Multicapa HDI Las placas multicapa HDI (High Density Interconnect) tienen una perforación láser de microagujeros y una densidad de pistas por unidad de superficie mucho mayor a las de las PCB convencionales, según marca la normativa IPC-2226 que las define. Poseen líneas y espacios entre ellas ≤ 100 µm / 0.10 mm, vías más pequeñas (<150 µm), pads de captura 20 pads/cm2) que las empleadas en la tecnología convencional de PCB. Dentro de las PCB multicapa HDI hay de 3 tipos según su estructura principal según el uso de microvías, vías ciegas o enterradas, las cuales se explicarán más adelante, tal y como marca la normativa IPC. - Tipo I: Define una capa de microvía única en uno o a ambos lados del núcleo. Emplea tanto microvías metalizadas como taladros metalizados para la interconexión, usando vías ciegas, pero no enterradas. - Tipo II: Define una capa de microvía única en uno o a ambos lados del núcleo. Emplea tanto microvías metalizadas como taladros metalizados para la interconexión. Se usan vías ciegas y enterradas. - Tipo III: Define al menos dos capas de microvía en uno o a ambos lados del núcleo. Emplea tanto microvías metalizadas como taladros metalizados para la interconexión, usa vías ciegas y enterradas. Tipo III Terminología de construcción para definir el grado de construcción HDI: - 1+n+1 = una única capa de microvía - 2+n+2 = 2 capas de microvía - 3+n+3 = 3 capas de microvía - ¿Qué es una microvía? Según la nueva definición del IPC-T-50M, una microvía es una estructura ciega con una relación de aspecto máxima de 1:1, que termina en un punto con una profundidad total de no más de 0,25 mm medidos desde la capa de cobre de partida hasta la capa de destino. - ¿Qué es una vía ciega? Se trata de una vía que transcurre de una capa exterior a una interior, y que por lo tanto no atraviesa todo el PCB. Estas vías pueden realizarse de forma mecánica o empleando tecnología láser. - ¿Qué quiere decir que una vía es enterrada? Es una vía que atraviesa una o más de las capas internas, y por tanto, no sale al exterior. Normalmente se hacen con un taladro mecánico. Circuito flexible y rígido-flexible (FLEX/RIGID-FLEX) Los circuitos flexibles tienen dos opciones de materiales disponibles para encapsular los circuitos de la capa exterior expuesta: recubrimiento de poliimida (o Coverlay) y máscara de soldadura flexible. Si bien ambos realizan la misma función básica de aislar los circuitos de la capa externa, cada uno tiene diferentes características y capacidades que abordan requisitos de diseño específicos. Hay numerosas estructuras diferentes disponibles para PCB flexibles y rígidas-flexibles. Las más comunes se definen a continuación: - Flexible monocara (IPC-60103 tipo 1) Recubrimiento (poliamida + adhesivo) unido a un núcleo de FPC de una cara sin adhesivo. Con o sin refuerzos. - Flexible de doble cara (IPC-6013 tipo 2) Recubrimiento unido en ambas caras de un núcleo de FPC de doble cara sin adhesivo (dos capas conductoras) con taladros metalizados. Con o sin refuerzos. - Flexible multicapa (IPC-6013 tipo 3) Recubrimiento unido en ambas caras de una estructura sin adhesivo que contiene tres o más capas conductoras con taladros metalizados. Con o sin refuerzo. La capacidad es de 4L. - Estructura rígida-flexible tradicional (IPC-6013 tipo 4) Combinación de circuitos multicapa rígidos y flexibles que contiene tres o más capas con taladros metalizados. Capacidad de 22L con capas flexibles de 10L. - Estructura rígida-flexible asimétrica, en la que el FPC está situado en la capa exterior de la estructura rígida. Contiene tres o más capas con taladros metalizados. - Estructura rígida-flexible multicapa con vías enterradas / ciegas (microvías) como parte de la estructura rígida. Se pueden conseguir 2 capas de microvías. La estructura también puede incluir dos estructuras rígidas como parte de una construcción homogénea. La capacidad es una estructura HDI 2+n+2. - Estructura book-binder y air-gap – una estructura compleja Los espacios entre las capas flexibles permiten una mejor flexión del FPC. Las capas flexibles pueden ser de distintas longitudes en las construcciones book-binder para minimizar la compresión de las capas flexibles internas en el radio de doblado. PCB sobre un núcleo de aluminio El tipo más común de entre todos los PCB de núcleo metálico son los circuitos impresos de aluminio (IMS – insulated Metal substrates). El material base consta de un núcleo de aluminio y FR4 estándar. Cuenta con una capa de revestimiento térmico que disipa el calor de una manera altamente eficiente mientras enfría los componentes y aumenta el rendimiento general de los productos. Actualmente, la PCB con respaldo de aluminio se considera la solución para aplicaciones de alta potencia y tolerancia estricta. Los principales campos de aplicación son en campos de Iluminación: LED de alta potencia, lámparas de calle, faros; en campos automotrices: unidades de control, inversor, conmutación, reguladores de voltaje; dispositivo de audio: entrada, amplificador de salida, amplificador balanceado, amplificador de audio, preamplificador, amplificador de potencia; y en fuentes de alimentación: regulador de conmutación, convertidor CC / CA, regulador SW, etc. Ventajas: - Respetuoso con el medio ambiente: el aluminio no es tóxico y es reciclable. La fabricación con aluminio también favorece la conservación de energía debido a su facilidad de montaje. Para los proveedores de placas de circuito impreso, el uso de este metal ayuda a mantener la salud de nuestro planeta. - Mayor durabilidad: el aluminio proporciona resistencia y durabilidad a un producto que las bases de cerámica o fibra de vidrio no pueden. El aluminio es un material de base resistente que puede reducir las roturas accidentales durante la fabricación, la manipulación y el uso diario. - Ligero: por su increíble durabilidad, el aluminio es un metal sorprendentemente ligero. El aluminio agrega fuerza y resistencia sin agregar peso adicional. - Disipación de calor: las altas temperaturas pueden causar graves daños a los componentes electrónicos, por lo que es aconsejable utilizar un material que pueda ayudar a disipar el calor. El aluminio en realidad puede transferir calor lejos de los componentes vitales, minimizando así el efecto dañino que podría tener en la placa de circuito. PCB RF y MW – PCBs de Radiofrecuencia y microondas Los circuitos de radiofrecuencia (RF) y microondas (MW) se utilizan en multitud de productos inalámbricos, desde dispositivos de mano para aplicaciones médicas e industriales hasta sistemas de comunicación avanzados para estaciones base, radar y posicionamiento global. Las PCB que se utilizan en estas aplicaciones deben tener por tanto unas características especiales debido a las frecuencias con las que se trabaja. Las PCB para aplicaciones de RF, radar y datos de gigabit deben diseñarse teniendo en cuenta la dispersión y sus efectos sobre el retraso de propagación. Puesto que estas aplicaciones suelen exigir un bajo ruido de fondo, se usan trazas diferenciales para evitar interferencias. Entonces el retraso de propagación afecta a la tolerancia de adaptación de la longitud entre trazas paralelas. Las trazas en FR4 tienden a registrar mayores pérdidas que con otros materiales de PCB especializados para aplicaciones de RF por encima de 1 GHz. FR4 presenta una dispersión negativa y una tangente de pérdidas incrementales a frecuencias cada vez más altas. En comparación con otros materiales especializados para altas frecuencias, la dispersión realmente aumenta la velocidad de la señal a frecuencias más altas, disminuyendo así el retraso de propagación a frecuencias más altas. La absorción electromagnética en FR4 aumenta rápidamente hasta unos 100 KHz y después aumenta gradualmente hasta unos 100 GHz. Esto hace que las trazas en FR4 tengan una mayor atenuación a frecuencias altas para un espesor concreto de placa. Este es el principal motivo por el que se usan laminados de alta velocidad en las placas FR4. FR4, CEM, Rogers, Arlon y el Teflón FR-4 (o FR4) es una designación de grado NEMA(National Electrical Manufacturers Association) para material laminado epoxi reforzado con vidrio. FR-4 es un material compuesto compuesto de tela de fibra de vidrio tejida con un aglutinante de resina epoxi que es resistente al fuego (autoextinguible). "FR" significa retardante de llama y no indica que el material cumpla con el estándar UL94V-0 a menos que se realicen pruebas según UL 94, prueba de llama vertical (Vertical Flame testing) en la Sección 8 en un laboratorio que cumpla con las normas. La designación FR-4 fue creada por NEMA en 1968. Si hay un FR4, tiene que haber FR inferiores, y sus diferencias son las siguientes. FR1 es básicamente lo mismo que FR2. FR1 tiene un TG más alto de 130ºC en lugar de 105ºC para FR2. Tg (Glass Transition Temperature), o temperatura de transición vítrea, hace referencia a el parámetro del material base que representa la temperatura (° C) a la que el material base se vuelve mecánicamente inestable. Tg es el valor que necesita para garantizar la estabilidad mecánica de la PCB durante la vida útil de la PCB. Es posible que algunos fabricantes de laminados que producen FR1 no produzcan FR2, ya que el costo y el uso son similares y no es rentable tener ambos. FR3 también es básicamente FR2. Pero en lugar de resina fenólica utiliza un aglutinante de resina epoxi. Y el FR4 es el ignífugo que se ha explicado arriba. CEM Otros compuestos existentes en el mercado son los llamados CEM (Composite epoxy materials). - El CEM-1 es un material compuesto por superficies de tejido de vidrio tejido y núcleo de papel combinado con resina epoxi. Principalmente utilizado en la industria de placas de circuito impreso. Es de perforación fácil y presenta excelentes propiedades eléctricas, así como mayor resistencia a la flexión que las calidades basadas en papel. CEM-1 proporciona excelentes propiedades mecánicas y eléctricas, y perforaciones de hasta .093 ". - CEM-2 tiene un núcleo de papel de celulosa y una superficie de tela de vidrio tejida. - CEM-3 es muy similar a FR4. En lugar de tela de vidrio tejida se usa un tipo de "moscas". CEM-3 tiene un color blanco lechoso y es muy suave. Es un reemplazo completo para FR4 y tiene una participación de mercado muy grande en Asia. Es un tipo de material de vidrio recubierto de cobre epoxy ignífugo, generalmente se usa en electrónica con tableros de PCB de doble cara y multicapa. Y CEM-3 es un nuevo material de sustrato de circuito impreso desarrollado basado en FR-4. En los últimos años, CEM-3 se utiliza para reemplazar FR-4 en Japón. - CEM-4 bastante similar a CEM-3 pero no retardante de llama. - CEM-5 (también llamado CRM-5) tiene un núcleo de vidrio tejido de poliéster. Rogers Otro término que probablemente puedes oír en este ámbito es Rogers, la cual es una empresa que fabrica los materiales laminados que se utilizan para fabricar placas de circuitos. La mayoría de las placas son FR4. Rogers le venderá laminados FR4 (núcleo FR4 con laminado de cobre), que son más conocidos por sus núcleos con mejores propiedades de alta frecuencia, como PTFE (teflón). Son más caras que la fibra de vidrio, pero tienen menos pérdidas a altas frecuencias. Esto los hace buenos para placas de circuitos de RF. Por lo general, un ingeniero de radio utilizará "PCB de Roger" para referirse a "placa de circuito con núcleos de teflón", pero la empresa Rogers fabrica muchos tipos de núcleos de PCB y muchas empresas fabrican núcleos de teflón. Otra empresa que mencionar es Arlon, es de los principales proveedores de placas del tipo PD, las cuales están compuestas por resina de poliimida con base de aramida. Hay multitud de empresas que se dedican a estos materiales, como son: Nelco, Taconic, Dupont, Nanya, Panasonic, Shengyi, Isola, KB, Goldenmax, SengYi o Taiflex.