Qué es y para Qué Sirve una Placa de Circuito Impreso
Las placas de circuito impreso (PCB, del inglés Printed Circuit Boards) son la parte fundamental (placa, lámina, superficie o tablilla) para la construcción de la mayoría de los dispositivos electrónicos modernos.
Ya sean placas de una sola capa utilizadas en el mando a distancia de la puerta de un garaje, la placa de seis capas de un reloj inteligente, las placas de circuito de 60 capas, de muy alta densidad y alta velocidad utilizados en supercomputadoras y servidores, las placas de circuito impreso son la base sobre la que se ensamblan todos los demás componentes electrónicos.
Un ejemplo claro de esto lo tenemos en las placas base de un ordenador o en las placas para fabricar teclados custom.
Componentes y Características Principales
Los semiconductores, conectores, resistencias, diodos, condensadores y dispositivos de radio se montan y «hablan» entre sí a través de la PCB.
Las PCB tienen propiedades mecánicas y eléctricas que las hacen ideales para estas aplicaciones. La mayoría de las PCB fabricados en el mundo son rígidas, aproximadamente el 90% de las PCBs fabricadas hoy en día son placas rígidas.
Algunas PCB son flexibles, lo que permite doblar los circuitos para darles forma, sin ninguna interrupción en los circuitos. Estos PCB flexibles engloban aproximadamente el 10% del mercado.
Un pequeño subconjunto de estos tipos de circuitos se denominan circuitos flexibles rígidos, donde una parte de la placa es rígida, ideal para montar y conectar componentes, y una o más partes son flexibles, lo que proporciona las ventajas de los circuitos flexibles.
Una tecnología de PCB que emerge rápidamente, distinta de las anteriores, se llama electrónica impresa: circuitos típicamente muy simples y de muy bajo coste que reducen el precio del empaque electrónico al nivel en que se pueden desarrollar soluciones electrónicas para resolver problemas nunca antes considerados.
A menudo se utilizan en electrónica para aplicaciones portátiles o dispositivos electrónicos desechables, lo que abre muchas oportunidades para los diseñadores eléctricos creativos.
Curiosidades
Aquí te dejo algunos datos curiosos sobre las PCB:
- La primera PCB fue creada en 1936 por el ingeniero austriaco Paul Eisler. Fue utilizada para un dispositivo de radio portátil durante la Segunda Guerra Mundial.
- Las PCBs son muy eficientes en términos de espacio, ya que permiten conectar una gran cantidad de componentes electrónicos en un espacio reducido. Por ejemplo, en un teléfono móvil moderno, la PCB puede tener miles de componentes en un área muy pequeña.
- Las PCBs pueden ser recicladas para obtener materiales valiosos como cobre, oro y plata. De hecho, se estima que una tonelada de placas de circuito impreso puede contener hasta 300 gramos de oro y 3 kilos de cobre.
- Las PCBs se utilizan en la construcción de robots y drones, ya que permiten conectar diferentes componentes electrónicos, sensores y actuadores para controlar su movimiento y funcionamiento.
- En algunas culturas, se utiliza el arte de la PCB para crear joyas y objetos decorativos. Los diseñadores utilizan las formas y patrones de las pistas y trazos de las PCBs para crear piezas únicas y creativas.
Cómo Funcionan las PCB
Consisten en componentes eléctricos y conectores conectados a través de circuitos conductores, generalmente de cobre, con el propósito de enrutar señales eléctricas y energía dentro y entre dispositivos.
En comparación con los circuitos cableados tradicionales, las PCB ofrecen una serie de ventajas:
- El diseño pequeño y ligero es adecuado para su uso en muchos dispositivos modernos
- La fiabilidad y facilidad de mantenimiento las adaptan para la integración en sistemas complejos
- El bajo coste de producción las convierte en una opción altamente rentable
Las PCB se desarrollaron a principios del siglo XX, pero han tenido un desarrollo tecnológico continuo desde entonces.
El avance y la adopción generalizada de tecnología en PCB ha sido paralelo al rápido avance en la tecnología de empaquetado de semiconductores y ha permitido a los profesionales de la industria invertir en productos electrónicos más pequeños y eficientes.
Usos
Las PCB a menudo se asocian con las computadoras, se usan también en muchos otros dispositivos electrónicos además de los PC. La mayoría de los televisores, radios, cámaras digitales, teléfonos inteligentes y tabletas incluyen una o más placas de circuito impreso.
Si bien las PCB que se encuentran en los dispositivos móviles se parecen a los que se encuentran en las computadoras de escritorio y los dispositivos electrónicos grandes, generalmente son más delgados y contienen circuitos más finos
Las cualidades de las PCB encuentran aplicación en todas las industrias:
Salud
La electrónica médica se ha beneficiado significativamente de la introducción de PCBs. La electrónica en computadoras, sistemas de imágenes, máquinas de resonancia magnética y equipos de radiación continúan avanzando en tecnología a partir de la capacidad electrónica en PCBs.
El tamaño más delgado y pequeño de las PCB flexibles y rígidas permite la fabricación de dispositivos médicos más compactos y ligeros, como audífonos, marcapasos, dispositivos implantables y cámaras realmente diminutas para procedimientos mínimamente invasivos.
Las PCB rígido-flexibles son una solución particularmente ideal cuando se busca reducir el tamaño de dispositivos médicos complejos, ya que eliminan la necesidad de cables y conectores flexibles que ocupan un espacio valioso en sistemas más complejos.
Aeroespacial
Las PCB rígidas, flexibles y rígidas flexibles se emplean comúnmente en la industria aeroespacial para paneles de instrumentos, tableros, controles de vuelo, gestión de vuelos y sistemas de seguridad.
El creciente número de avances en la tecnología aeroespacial ha aumentado la necesidad de PCBs más pequeñas y complejas para su uso en aeronaves, satélites, drones y otros dispositivos electrónicos aeroespaciales.
Los circuitos flexibles y rígidos ofrecen una durabilidad excepcional y capacidad de supervivencia de la misión gracias a la eliminación de conectores.
Esto los hace adecuados para su uso en aplicaciones de alta vibración, mientras que su diseño pequeño y ligero reduce el peso total del equipo y, en consecuencia, los requisitos de consumo de combustible.
Militar
En el sector militar, las PCB se utilizan en equipos expuestos con frecuencia a aplicaciones de fuertes impactos, golpes y vibraciones, como vehículos militares, computadoras robustas, armas modernas y sistemas electrónicos (por ejemplo, robótica, sistemas de orientación).
A medida que la tecnología militar avanza para satisfacer la demanda cambiante de los clientes, más equipos integran tecnología computarizada avanzada, lo que requiere el rendimiento eléctrico y mecánico que es inherente a las placas flexibles y rígidas.
Estos tipos de circuitos electrónicos pueden soportar miles de kilos de fuerza G sin deteriorarse ni fallar.
Industriales y Comerciales
El uso de PCB en la electrónica industrial y comercial ha revolucionado todo, desde la fabricación hasta la gestión de la cadena de suministro, aumentando la información, la automatización y la eficiencia.
En general, son un medio fiable para dirigir el equipo en instalaciones cada vez más automatizadas, lo que mejora la producción y reduce los costes de mano de obra.
Las PCB flexibles y rígidas flexibles permiten a los fabricantes producir productos cada vez más pequeños y ligeros con una mayor funcionalidad y una fiabilidad mucho mayor, como drones, cámaras, dispositivos electrónicos móviles y computadoras resistentes.
Industria Petrolera
Monitoreo y sensores de fondo de pozo.
Maquinaria Industrial
Equipos de fabricación, como taladros eléctricos, y cualquier tipo de equipo que mida y controle presión y temperatura.
Iluminación
Diodos emisores de luz (LED), que se utilizan en todo, desde casas residenciales hasta tiendas, pantallas de computadora y hospitales.
Automoción
Sistemas de navegación y entretenimiento, sistemas de control y sensores.
PCBs Personalizadas
Casi todas las PCB están diseñadas a medida para su aplicación. Ya sean tableros rígidos simples de una sola capa, hasta circuitos rígidos flexibles o flexibles de múltiples capas altamente complejos, las PCB se diseñan utilizando un software especial (CAD) para el diseño asistido por computadora.
El diseñador utiliza este software para colocar todos los circuitos y puntos de conexión, llamados vías, en todo el tablero. El software sabe cómo cada uno de los componentes debe interactuar entre sí y también conoce los requisitos específicos, como cómo deben soldarse a la PCB.
Cuando el diseñador termina, el software tiene toda la información con la cual se construirán las placas:
- Archivos de ilustraciones electrónicas que muestran cada circuito en la PCB, dónde va exactamente, en cada capa de la placa
- Archivos de perforación, que nos mostrarán dónde perforar exactamente los agujeros para hacer todas las conexiones de vía que se vieron durante el diseño
- Archivos de máscara de soldadura y nomenclatura
- Un archivo que nos muestra exactamente cómo cortar el perímetro de la placa
Todos los diseñadores de PCB, ya sean rígidos, flexibles o rígidos flexibles, utilizan estos archivos para comunicar a los fabricantes de PCB exactamente cómo quieren que se construyan sus placas.
Impresión de Fabricación
Incluyen otro elemento que es fundamental para el fabricante de PCB: una impresión de fabricación. La impresión de fabricación detalla cuidadosamente todos los requisitos de las placas, que no están en los archivos mencionados arriba.
La impresión de fabricación, por ejemplo, detallará qué materiales usaremos para construir la placa, qué tamaño de orificios taladrados les gustaría, cualquier instrucción especial de fabricación o especificaciones que debamos cumplir e información diversa como qué color de máscara de soldadura o nomenclatura les gustaría.
Con estos dos componentes, (el software y la impresión de fabricación) podemos construir una placa personalizada que cumpla exactamente con los requisitos que queremos.
Como las PCB son altamente personalizables, pueden diseñarse y fabricarse con diversas flexibilidades, tamaños y configuraciones para adaptarse a casi cualquier aplicación.
Partes de una PCB
Dado que se utilizan tantos componentes en el diseño de las PCB de hoy en día, puede ser difícil identificarlos todos. Aunque existen algunas pautas para identificar diferentes tipos de componentes, pueden variar de una compañía a otra o incluso de un técnico a otro.
Para ayudarte a identificar los componentes de una PCB, aquí hay una lista de varias formas que puedes usar:
- Fíjate en el paquete en busca de pistas. Tendrá detalles sobre qué tipo de componente es y cuál es su función. Por ejemplo, una resistencia siempre será de color negro y amarillo, mientras que un circuito integrado será azul verdoso con franjas doradas.
- Mira la forma de la pieza: los circuitos integrados tienen formas rectangulares largas
- Observa en busca de cualquier marca que pueda tener el componente
Las componente principales de las PCB son:
Condensadores
Un condensador es un componente hecho de dos o conjuntos de dos placas conductoras con un aislante delgado entre ellas y envuelto en un recipiente de cerámica y plástico.
Cuando el condensador recibe una CC (corriente continua), se acumula una carga positiva en la placa (o conjunto de placas) mientras que una carga negativa se acumula en la otra.
Esta carga, que se mide en microfaradios en un condensador de computadora, permanece en el condensador hasta que se descarga.
Fusibles
Actuando como un mini disyuntor, un fusible es una resistencia con una tolerancia baja diseñada para fallar si fluye una corriente excesiva a través de un dispositivo electrónico.
Bobinas
Una bobina es un cable conductor como el cobre en forma helicoidal alrededor de un núcleo de hierro. La bobina crea un inductor o electroimán para almacenar energía magnética. Las bobinas se utilizan a menudo para eliminar picos y caídas de energía.
Circuitos Integrados
También conocidos como microchips, los circuitos integrados o chips integrados son un elemento que contiene silicio con muchos circuitos, puertas lógicas, vías, transistores y otros componentes que trabajan juntos para realizar una función particular o una serie de funciones. Los circuitos integrados son los componentes básicos del hardware de la computadora.
Debido a que los circuitos integrados son frágiles, a menudo están encerrados en un paquete de plástico con clavijas de metal que se extienden hacia afuera para conectarse a la placa de circuito. Los circuitos integrados pueden empaquetarse como SIP (paquete único en línea), DIP (paquete doble en línea), PLCC (portador de chip con plomo plástico) u otro tipo.
Puentes
Los puentes permiten que una computadora o aparato electrónico cierre un circuito eléctrico, lo que permite que la electricidad fluya en una placa de circuito y realice una función.
Los puentes consisten en pequeños pines que se pueden cubrir con una pequeña caja de plástico (bloque de puentes).
Tornillos, Perforaciones y Soportes
Las PCB incluyen los tornillos y agujeros para poder acoplar la placa al producto final. Por ejemplo, una placa base a la caja del ordenador y una placa de teclado a la caja o recipiente donde se colocará la placa.
Tipos de PCB
Si bien la idea general y la construcción de una placa de circuito impreso suelen ser las mismas, es importante recordar que cada placa de circuito es diferente. No hay un tablero «listo para usar», cada PCB está fabricada a medida.
PCB de Una Capa
Este tipo de PCB está hecha de una sola capa de material (o sustrato). Un lado del material está laminado con una capa de metal, generalmente cobre.
Las PCB de una sola capa se utilizan normalmente en capacidades de microondas RF y productos electrónicos de consumo, como computadoras, radios, electrodomésticos y teléfonos celulares.
PCB de Doble Capa
En una PCB de doble capa, ambos lados del material (o sustrato) tienen una capa de metal. Estos se encuentran a menudo en muchos productos electrónicos de consumo, como teléfonos celulares y otros dispositivos, como monitoreo de energía, equipos de prueba y amplificadores.
Las PCB de doble capa también se utilizan en la tecnología de interposición, que conecta dos placas de circuito impreso.
PCB Multicapa
Una PCB multicapa contiene tres o más capas conductoras de cobre y, por lo general, con orificios pasantes enchapados.
Si la placa de circuito multicapa está construida con materiales flexibles y rígidos, se denomina placa de circuito rígido-flexible. Una placa de circuito rígido-flexible es una interconexión 3D que se puede doblar y plegar en casi cualquier forma.
La tecnología rígido-flexible permite a los diseñadores reemplazar múltiples PCB con alambres y/o cables de interconexión en una sola unidad, lo que ofrece un rendimiento mejorado y una mayor fiabilidad, además de ahorrar espacio.
Las placas multicapa se usan comúnmente en PCB de interconexión de alta densidad (HDI), que se han vuelto cada vez más populares y se usan en una diversa variedad de industrias, incluidas la médica, militar y aeroespacial. Las PCB HDI se encuentran principalmente en teléfonos inteligentes, tabletas y otros dispositivos digitales.
PCB Flexibles
Una PCB flexible es una placa de circuito impreso que se puede moldear y diseñar para adaptarse a ciertos productos o sistemas.
Un circuito flexible o moldeable está hecho de un material delgado y flexible. Las aplicaciones para circuitos flexibles pueden ser tan simples como un circuito de una capa. Una placa de circuito de cableado impreso multicapa contiene tres o más capas conductoras de cobre, generalmente con orificios pasantes chapados.
PCB Rígido-Flexibles
Si la placa de circuito multicapa está construida con materiales flexibles y rígidos, se denomina placa de circuito rígido-flexible.
Una placa de circuito rígido-flexible es una interconexión 3D que se puede doblar y plegar en casi cualquier forma. La tecnología rígido-flexible permite a los diseñadores reemplazar múltiples PCB con alambres y/o cables de interconexión en una sola unidad, lo que ofrece un rendimiento mejorado y una mayor legibilidad.
Los circuitos rígido-flexibles pueden tener hasta 50 capas, reemplazando los arneses de cables voluminosos con un diseño compacto y robusto.
La tecnología de placa de circuito rígido-flexible reduce la necesidad de cables voluminosos y pesados dentro de un sistema electrónico. También ahorra tiempo de instalación y costes de piezas y da como resultado un ensamblaje de nivel superior más limpio y, por lo general, más compacto.
PCB de Alta Frecuencia (HF)
Las PCB HF se definen por bajos niveles de expansión térmica y se utilizan para HDI de alta tecnología. También se utilizan ampliamente en comunicaciones de alta velocidad y tecnología de microondas RF.
PCB con Respaldo de Aluminio
Una PCB con respaldo de aluminio generalmente se relaciona con la conductividad térmica y la eliminación de calor de una placa de circuito impreso.
Cuando se enciende una placa de circuito, puede calentarse, lo que significa que comenzará a perder su poder de cómputo. Incorporar aluminio a una PCB con un adhesivo conductor extrae el calor y lo canaliza hacia un chasis, lo que significa que la placa funcionará de manera más eficiente. Esta PCB se usa en muchas comunicaciones de RF.
PCB de Cobre Pesado
Ciertas placas de circuito impreso están diseñadas para producir más amperaje (o la fuerza de la corriente eléctrica) a través de la traza. Pero cuanto mayor sea el requisito de potencia, más grueso será el cobre necesario para transmitir la señal a través de la placa. Las PCB de cobre pesado se utilizan en diseños de mayor amperaje.
Materiales de Fabricación de una PCB
Los materiales principales utilizados en la fabricación de PCB son sustratos de fibra de vidrio o plástico, cobre, máscara de soldadura y tinta impresa resistente.
Sustratos de fibra de vidrio y plástico
Las PCB se pueden construir sobre materiales de base rígidos o flexibles según el diseño de PCB previsto. Las PCB rígidas a menudo usan FR4 o fibra de vidrio de poliimida, mientras que los circuitos flexibles y las capas flexibles rígido-flexibles generalmente usan películas de poliimida de alta temperatura.
Los sustratos de plástico comunes para circuitos flexibles incluyen poliimida (PI), polímero de cristal líquido (LCP), poliéster (PET) y naftalato de polietileno (PEN).
El propósito del sustrato es proporcionar una base no conductora sobre la cual los circuitos conductores puedan construirse y aislarse entre sí.
Los laminados de poliimida y LCP se utilizan normalmente en aplicaciones de alta fiabilidad o alta velocidad de señal. Los laminados de poliéster y naftalato de polietileno se eligen principalmente por su bajo costo y, por lo general, son solo capas individuales de circuitos.
Cobre
Gracias a su alta conductividad eléctrica, el cobre es el material conductor más utilizado para los circuitos de las PCB. Todos los laminados vienen con capas delgadas de lámina de cobre en uno o ambos lados del plástico.
Luego, el fabricante utiliza el software proporcionado por el diseñador para crear imágenes y grabar los circuitos para cumplir con los requisitos.
El grosor y la cantidad de capas requeridas dependen en gran medida de la aplicación para la que se utilizará la placa de circuito impreso. Las PCB multicapa se construyen alternando capas de circuitos de cobre y materiales aislantes para completar la PCB.
Máscara para soldar
La máscara de soldadura es un líquido, normalmente un material epoxi, que se aplica sobre las capas exteriores de las PCB rígidas. También se usa comúnmente en las secciones rígidas de PCB rígidas y flexibles.
Está diseñada principalmente para aislar los circuitos de cobre en las capas exteriores de la oxidación del medio ambiente. También está diseñada para controlar y retener el flujo de soldadura cuando los componentes se ensamblan en la PCB.
Sin máscara de soldadura, la soldadura líquida podría fluir hacia la superficie de la PCB, conectando dos circuitos adyacentes y provocando un cortocircuito en la placa.
El color más común para la máscara de soldadura es el verde, pero también existen azul, negro, rojo, ámbar, transparente, blanco y muchos otros colores.
La máscara de soldadura es una fina capa de polímero necesaria para proteger la placa de circuito impreso (PCB) de cualquier cortocircuito y mantener la integridad de las trazas de cobre.
La resina es, con diferencia, el elemento más utilizado en su fabricación. Mantiene un equilibrio entre la calidad y el precio. Sin embargo, hace más cosas bien que mal.
Tinta impresa (Serigrafía)
Una vez que se completan las capas de la máscara de soldadura, la información de identificación, las marcas y, a veces, los códigos de barras se imprimen en la máscara de soldadura.
Estas marcas se denominan serigrafía o nomenclatura y también estarán definidas por archivos que se incluyeron con los archivos suministrados con el diseño. Están impresos en la máscara de soldadura para ayudar a asegurar un ensamblaje preciso de la PCB.
La capa de tinta se aplica a la placa antes de unir los componentes. La tinta y su proceso pueden variar según el diseño, pero generalmente tiene el logotipo de un fabricante de PCB, tipo de información para los componentes, información de fabricación y otra información específica de la empresa o del producto.
Cómo se Diseñan las PCB
Las PCB tienen una gran variedad de diseños, por lo que es importante tener una comprensión profunda del proceso de diseño. Algunos de los elementos clave a considerar al diseñar una PCB son:
- Aplicación para la que se utilizará la PCB
- Entorno en el que operará la PCB
- Cantidad de espacio y configuración requerida para la instalación
- Flexibilidad de la placa de circuito impreso
- Instalación y montaje
Seleccionar el diseño de PCB correcto para adaptarse a estas consideraciones afecta significativamente la capacidad de fabricación, la velocidad de producción, el rendimiento del producto, los costes de operación y los plazos de entrega.
