ROCK AROUND THE CLICK: CIRCUITOS IMPRESOS

1 de marzo de 2011

 

La II Guerra Mundial dio origen a diversas tecnologías y popularizó algunas emergentes. Este el caso de los PCB (printed circuit board) que se usaron masivamente dentro de las radio de los soldados americanos. El inventor de esta forma de presentación de los circuitos fue el ingeniero austriaco Paul Eisler en 1936; sin embargo, no es hasta 1950 que su fabricación se extiende a la población no militar.

La tecnología previa consistía en conectar punto a punto cada componente del circuito (tecnología wire-wrap). Su uso tenía mayor grado de eficiencia, ya que era poco probable que exitieran errores en el funcionamiento general del sistema. Sin embargo, el tiempo de fabricación era elevado y no aceptaba la automatización. Es por eso que investigadores de diversos lugares del mundo estudiaron nuevas formas de mejorar los PCB para extender su uso en la industria de la época.

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Actualmente, vivimos rodeados de estos circuitos; sin embargo, nuevos retos surgen. Por ejemplo: la seguridad ambiental, que obliga a investigadores a replantear la forma de fabricación de estos elementos sin perder la eficiencia ya obtenida.

A continuación se desarrolla un resumen de los avances obtenidos y se presenta una guía detallada en caso deseen diseñar uno en la comidad del hogar.

FUNDAMENTO TEÓRICO

Los materiales utilizados para la fabricación del sustrato o base aislante, que contendrá la placa de cobre, pueden ser clasificados en orgánicos o cerámicos.

2- Orgánicos: en esta clasificación se encuentran los polímeros. La investigación de este tipo de materiales tuvo sus inicios en el siglo XIX con John Wesley Hyatt quien produjo por primera vez un material sintético denominado celuloide. Debido a sus desventajas (rápida inflamación y deterioro rápido) no tuvo mayor aceptación, sin embargo, se dio inicio al descubrimiento de polímeros de alto orden, llamados así debido a que sus pesos moleculares son mucho mayores a los materiales ordinarios. El primer polímero de alto orden en ser obtenido por un proceso de polimerización (unión de monómeros) fue la baquelita; Leo Baekeland, en 1908, lo consiguió al unir las moléculas de fenol y formaldehido.

De las propiedades físicas, la que es de mayor importancia es la temperatura. Los polímeros pueden variar su estado con el cambio de temperatura según su disposición física (amorfa o cristalina), es decir a ciertas temperaturas pueden tener propiedades similares a la del vidrio (rigidez, fragilidad, transparencia) o a las de un elastómero (caucho). Esta teoría aplica para el diseño del estrato, ya que relaciona los polímeros a nivel molecular; sin embargo, para un buen diseño del PCB debemos considerar dos propiedades adicionales relacionadas con la temperatura: materiales termoestables o termoplásticos. La baquelita, material usado en PCB, es un termoestable ya que una vez enfriado no puede ser nuevamente moldeado (ablandado).

Otra propiedad a considerar en la fabricación es que los polímeros son malos conductores eléctricos debido a su baja conductividad térmica. (Recordar que la resistencia eléctrica también está en función de la temperatura.). Finalmente, en las propiedades físicas, tales como elasticidad, visco elasticidad, flujo plástico y fractura, es necesario conocer con que polímero se está trabajando.

- Cerámicos: en esta clasificación encontramos a la fibra de vidrio. El ingrediente básico es el cuarzo (sílice SiO2) que al enfriarse forma una estructura cristalina frágil y transparente. Este proceso de enfriamiento debe hacerse lentamente ya que para formar vidrio es necesario evitar la cristalización. La materia prima es abundante (arena de sílice) por lo que es un material de costo relativamente bajo. Entre sus propiedades es que son resistentes al uso continuo, la corrosión y a agente químicos.

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En los procesos de manufactura se usan, generalmente, dos materiales de base que son:

- Base de papel: Son de bajo costo pueden impregnarse con resina epóxica o con un material fenólico. También se puede generar material resistente a las altas temperaturas. Estos son designados con las letras FR (flame resistent). Los más comunes en el mercado son el FR-2 (Phenolic cotton paper), FR-3 (Cotton paper and epoxy).

- Base de fibra de vidrio: son materiales más costosos y también se encuentran impregnados con poliéster o con resina epóxica. También son hechos para tener alta resistencia al fuego (retardo de incendio). Los más comunes del mercado son: FR-4 (Woven glass and epoxy), FR-5 (Woven glass and epoxy), FR-6 (Matte glass and polyester).

En la elección del material, es necesario evaluar las siguientes condiciones para un buen funcionamiento:

Mecánicas:

Rigidez (sostener a los componentes pesados en aplicaciones que así lo requieran)  Fácil de taladrar                                                                                          Resistente a alta temperaturas y retardante de llamas                                        Flexibilidad (según la necesidad, por ejemplo, los circuitos de las pantallas de las laptops son flexibles)

Térmicas:

Disipa bien el calor                                                                                       Coeficiente de expansión térmica bajo (sobre todo en aplicaciones de alta potencia)Capaz de soportar el calor en la soldadura (calor suministrado en los PADs)            Capaz de soportar diferentes ciclos de temperatura (el producto final puede ser usado en diferentes locaciones)

Eléctricas:

Constante dieléctrica (sustrato aislante, no hay flujo de corriente)                       Punto de ruptura dieléctrica alto                                                                    Voltaje de ruptura alto (para aplicaciones de gran voltaje)                                  Baja absorción de líquidos (un valor alto puede afectar la constante dieléctrica de ruptura)

A diferencia de la base aislante, la capa donde se imprimirán las pistas es de cobre. Aquí se deben evaluar algunas condiciones eléctricas del diseño del circuito. A continuación se mostrará algunas tablas y gráficos que ayudaran a la selección de una placa de aislante-cobre según lo que se desea implementar.

clip_image002Gráfico 1: Relación entre amperaje del circuito y ancho del conductor.

clip_image004Tabla 1: Relación entre voltaje en los PADs o terminales de los componentes y la separación mínima correspondiente entre pistas.

MATERIALES

Los materiales a utilizar para la fabricación de una tarjeta son:

Circuito diseñado en software (por ejemplo podemos usar el EAGLE)                      Papel couché                                                                                              Químico Oxidante (Persulfato de Sodio)                                                            Martillo de goma Punzón                                                                                                       Plancha                                                                                                     Tinner                                                                                                        Impresora a inyección de tinta o láser (según sea el método utilizado)                   Bronchas (según el tamaño que requiera el agujero del pad)                                Taladro                                                                                                       Guaipe                                                                                                        Recipiente (de preferencia de PIREX)                                                               Agua                                                                                                          Jabón                                                                                                         Plumón de tinta indeleble                                                                              Hornilla                                                                                                       Cutter                                                                                                        Regla

DESARROLLO

Se realizará la fabricación de un circuito impreso utilizando las técnicas manuales de impresión en la placa y un método extractivo.

Procedimiento:

- Método del Planchado:

Utilizaremos como referencia a los PCB hechos a base de fibras de papel (fenólico) o baquelitas, las cuales son usadas más a menudo en aplicaciones experimentales. Los pasos a seguir son los siguientes:

1. Se imprime en papel fotográfico o couché la máscara de pistas. Esta impresión se debe realizar en impresora láser.

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2. Se corta la baquelita a las dimensiones adecuadas de la tarjeta. Se puede usar la guillotina del laboratorio o en su defecto una regla y el cutter.

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3. Se  limpia  la  parte de  cobre de la  baquelita o de la  tarjeta de fibra de  vidrio – poliéster con TINNER o algún disolvente. Se utiliza guaipe para frotar el disolvente correctamente, de tal manera que quede brillosa y libre de impurezas.

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4. Se calienta la placa de cobre con una plancha a una temperatura no muy elevada. Esto con la finalidad de que la tinta del papel couché se impregne en el cobre.

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5. Posteriormente, se superpone el papel couché impreso a la parte de cobre de la tarjeta, ubicándolo en donde se deseen plasmar las pistas.

6. Se calienta la plancha a una temperatura adecuada (como para ropa de algodón) y se hace presión con ésta en el papel couché, haciendo que todas las pistas sean pasadas por ella. Este proceso no debe durar mucho ya que puede levantar la capa de cobre y malograr irreversiblemente la tarjeta.

7. En un recipiente con agua fría o tibia (de preferencia) se procede a la remoción del papel couché. Debe ser cuidadoso en este paso para no despintar alguna sección del circuito. Debe procurar que las partes que no forman parte del circuito queden libres de papel couché. Se puede un cepillo para extraer el papel.

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8. Revisar que todas las pistas esten correctamente protegidas con tinta. Caso contrario, con un plumón indeleble negro se repasa la sección con error.

9. Luego se procede a ponerla en el recipiente con la mezcla de Persulfato de Sodio diluido en agua (color característico: turquesa o celeste.)

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10. Luego, se pone el recipiente encima de un horno. Se prende el horno y se empieza a mover el recipiente mientras se decapa (remoción del cobre no protegido por la tinta) el circuito en la tarjeta.

11. Después, se retira la tarjeta de la mezcla. Se evalua si todo el cobre ha sido extraido y se procede a limpiar la tinta de las pistas con agua y jabón.

12. Con el punzón y el martillo de goma, se empieza a marcar los pads que posteriormente serán taladrados. Procure no utilizar mucha fuerza dado que puede romper la baquelita por el lado posterior.

13. Finalmente, se taladran los PADs con el tamaño de broca adecuado y se limpia cualquier resto que deje este proceso.

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14. Finalmente proceder a la adición de barnices protectores según las necesidades del circuito o el ambiente al cual es expuesto la placa o el producto final.

Cabe resaltar que este método es menos laborioso y más preciso a la hora de decapar las pistas. La inducción de calor hace que el tóner se adhiera al cobre de tal manera que no es necesario remarcar las pistas con plumón indeleble (es posible obviar el paso 8). Además, la máscara de componentes se puede imprimir en el mismo papel couché y luego plancharla en el substrato aislante. Para las tarjetas hechas en fibra de vidrio – epóxica, se suele utilizar un horno especial para el decapado de pistas y máscara de componentes; sin embargo, esta guía no orienta acerca del uso de esa herramienta.

Gabriel Jiménez

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