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Tarjeta electrónica PCB: Guía esencial para principiantes

Jul 24, 2023 Uncategorized

La tecnología electrónica ha experimentado un enorme crecimiento en las últimas décadas, y una parte fundamental de este avance ha sido la tarjeta electrónica PCB (Printed Circuit Board). Las tarjetas electrónicas PCB, o placas de circuito impreso, son la base de gran parte de la electrónica moderna, pues permiten conectar y organizar los componentes eléctricos y electrónicos de los dispositivos.

En esencia, una tarjeta electrónica PCB es un soporte físico que permite el montaje y la interconexión de los componentes que conforman circuitos electrónicos. Estas placas están hechas principalmente de una lámina de plástico bañada en cobre, material que permite la conducción de la electricidad. Los diseñadores de circuitos emplean la organización y el trazado de los caminos de cobre para conectar los componentes, como diodos, transistores y resistencias, entre sí y establecer así el flujo de electricidad y las señales que controlan el funcionamiento del dispositivo.

El diseño y fabricación de tarjetas electrónicas PCB ha ido evolucionando a lo largo de los años, incluyendo innovaciones en los materiales utilizados, los métodos de fabricación y el software de diseño. Esta evolución ha permitido la creación de dispositivos electrónicos cada vez más pequeños, más potentes y más eficientes, lo que ha revolucionado diferentes industrias. Además, existen diferentes tipos de tarjetas electrónicas PCB, desde las placas de un solo lado hasta las de múltiples capas, que permiten mayor complejidad y capacidad de personalización en el diseño de circuitos electrónicos.

Componentes de una Tarjeta Electrónica PCB

Una tarjeta electrónica PCB (Printed Circuit Board) es un componente electrónico que funciona como base para conectar y sostener otros componentes electrónicos. Está compuesta por diferentes elementos, entre los que se encuentran los circuitos integrados, resistencias y capacitores, y conectores y zócalos.

Circuitos Integrados

Los circuitos integrados (CI) son conjuntos de componentes electrónicos como transistores, diodos y resistencias, encapsulados en un solo bloque de material semiconductor. En una tarjeta electrónica PCB, estos circuitos cumplen funciones específicas, como la realización de cálculos, control de procesos y comunicación entre otros componentes. Algunos ejemplos de CI incluyen microprocesadores, memorias y controladores.

Resistencias y Capacitores

Las resistencias y capacitores son componentes electrónicos pasivos que ayudan a controlar y regular el flujo de corriente en un circuito.

  • Las resistencias se encargan de limitar la cantidad de corriente que fluye, siguiendo la Ley de Ohm (V = I * R). Se identifican en la PCB por su forma cilíndrica y la presencia de bandas de colores que denotan su valor en ohmios.

  • Los capacitores almacenan y liberan energía eléctrica en forma de carga. Estos componentes vienen en varias formas y tamaños, y pueden ser tanto de tipo fijo como variable. En una tarjeta PCB, los capacitores suelen estar presentes en los filtros, osciladores y circuitos de temporización.

Conectores y Zócalos

Los conectores y zócalos son componentes que permiten la conexión de la tarjeta electrónica PCB con otros dispositivos y componentes. A continuación, se detallan sus características:

  • Conectores: Facilitan la conexión de cables y periféricos a la tarjeta PCB. Existen diferentes tipos, como los de pin, los USB, los de alimentación, entre otros.

  • Zócalos: Brindan la posibilidad de insertar y reemplazar fácilmente otros componentes electrónicos, como microprocesadores, memorias y módulos adicionales, sin dañar la tarjeta PCB. Los zócalos también pueden ser de diferentes tipos, según el componente que deban recibir.

En conclusión, las tarjetas electrónicas PCB contienen diversos componentes esenciales para su correcto funcionamiento. Estos elementos, como los circuitos integrados, resistencias y capacitores, y conectores y zócalos, trabajan conjuntamente para llevar a cabo las tareas asignadas y lograr un rendimiento óptimo de la tarjeta.

Diseño de Tarjetas PCB

Diseño Esquemático

El diseño esquemático es la representación visual de los componentes electrónicos y las conexiones de una tarjeta PCB. Para iniciar este proceso, se debe:

  • Seleccionar los componentes necesarios para el circuito.
  • Establecer conexiones entre los componentes para cumplir con los requisitos funcionales.
  • Validar el diseño a través de simulaciones y comprobaciones de errores.

Un software de diseño electrónico (EDA) es esencial para desarrollar y verificar el esquemático.

Enrutamiento y Trazado de Pistas

Después de completar el diseño esquemático, el siguiente paso es el enrutamiento y trazado de pistas. En este proceso:

  1. se ubican los componentes en la tarjeta PCB.
  2. Se trazan las pistas que conectan los componentes.

Existen estrategias para el enrutamiento, como:

  • Enrutamiento manual: se trazan las pistas de forma individual, lo que permite un mayor control sobre el diseño.
  • Enrutamiento automático: la herramienta EDA automáticamente traza las pistas, ahorrando tiempo pero con un menor control sobre el resultado final.

Selección de Materiales y Tamaño

Los materiales y tamaño de la tarjeta PCB influyen en la calidad del producto final. Al seleccionar los materiales, considera:

  • Propiedades eléctricas: la capacidad de conducción de corriente y la resistencia.
  • Resistencia a la corrosión: la tarjeta debe ser resistente a la oxidación y la corrosión.
  • Térmicas: si la PCB puede disipar el calor generado por los componentes.

Los tamaños comunes de tarjetas PCB son:

  • Estándar (160×100 mm)
  • Mini (100×80 mm)
  • Micro (80×50 mm)

Selecciona el tamaño adecuado considerando el espacio disponible y la cantidad de componentes.

Tipos de Tarjetas PCB

Rígidas

Las tarjetas PCB rígidas son las más comunes en la industria. Están construidas con materiales sólidos como el FR-4, que es un compuesto de fibra de vidrio y resina epoxi. Estas tarjetas son utilizadas en una amplia variedad de aplicaciones debido a su durabilidad y resistencia. Algunas ventajas de las tarjetas PCB rígidas incluyen:

  • Durabilidad y resistencia.
  • Bajo costo de producción.
  • Facilidad de diseño y fabricación.

Flexibles

Las tarjetas PCB flexibles son una alternativa a las tarjetas rígidas y están hechas de materiales flexibles como el poliimida. Estas tarjetas son ideales para aplicaciones donde el espacio y el peso son consideraciones importantes. Algunas ventajas de las tarjetas PCB flexibles incluyen:

  • Flexibilidad que permite adaptarse a diferentes formas y espacios.
  • Ligereza, lo que reduce el peso del dispositivo final.
  • Resistencia a la vibración y choques mecánicos.

Rígido-Flexibles

Las tarjetas PCB rígido-flexibles combinan las características de las tarjetas rígidas y las flexibles. Estas tarjetas tienen áreas rígidas para componentes y conexiones, así como áreas flexibles para permitir el doblado y la adaptación a diferentes formas. Las tarjetas rígido-flexibles ofrecen:

  • Versatilidad en el diseño.
  • Mayor confiabilidad en conexiones y componentes.
  • Reducción de espacio y peso en el dispositivo final.

De acuerdo con sus necesidades y requerimientos específicos, puede elegir el tipo de tarjeta PCB más adecuado para su proyecto, tomando en cuenta factores como costos, durabilidad y espacio disponible.

Manufactura y Ensamble de PCB

Fabricación del Circuito

La fabricación de una tarjeta electrónica PCB (Printed Circuit Board) comienza con el diseño del circuito mediante software especializado. Luego, se procede a transferir el diseño a la placa base, que típicamente consta de:

  • Material aislante, como FR4
  • Capas de cobre laminadas

En el proceso de fotograbado, se emplea una capa fotosensible para plasmar el diseño sobre el cobre. Luego, se sumerge la placa en una solución química que disuelve el cobre expuesto, dejando las trazas del circuito. Una vez retirado el cobre innecesario, se aplica una capa de soldadura para proteger las trazas.

Montaje de Componentes

Una vez fabricado el circuito, comienza el proceso de montaje de componentes, que incluye:

  1. Montaje de superficie (SMT): Los componentes se colocan directamente sobre las almohadillas de la tarjeta, y una máquina especializada coloca una pasta de soldadura que sujeta los componentes.
  2. Montaje de orificio (PTH): A través de orificios en la tarjeta, se insertan las patillas de los componentes más grandes y se sueldan en su sitio.

En ambos casos, la soldadura se calienta en un horno de reflujo para asegurar una unión adecuada.

Control de Calidad

El control de calidad en la fabricación de PCB es crucial para identificar defectos y garantizar el funcionamiento de la tarjeta. Algunos procedimientos de control de calidad incluyen:

  • Inspección visual automatizada (AVI): Compara la tarjeta ensamblada con el diseño original y verifica la ubicación y orientación de los componentes.
  • Inspección de Rayos X: Detecta defectos internos en las soldaduras, como cortocircuitos o conexiones defectuosas.
  • Pruebas de funcionamiento: Se aplican estímulos eléctricos y se verifican las respuestas para comprobar que el circuito funciona correctamente.

Este proceso asegura que las tarjetas electrónicas PCB cumplan con las especificaciones y brinden un rendimiento confiable en sus aplicaciones.

Acabados y Protecciones

Máscara de Soldadura

La máscara de soldadura es una capa de material resistente a la soldadura que se aplica sobre ciertas áreas de la tarjeta electrónica PCB. Su función principal es prevenir la unión accidental de componentes y pistas durante el proceso de soldadura. Algunos materiales utilizados para la máscara de soldadura incluyen:

  • Epoxi líquido
  • Película fotosensible
  • Tinta a base de siloxano

Recubrimientos

Los recubrimientos son una capa adicional de protección que se aplica sobre la PCB para evitar el deterioro, la humedad o la corrosión. Uno de los principales tipos de recubrimientos es el ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold), que consiste en una capa muy fina de oro depositada sobre una capa de níquel. El ENIG es útil para mejorar la conductividad, proteger contra la corrosión y proporcionar una superficie plana para la soldadura. Otro recubrimiento común es la plata química inmersión (Immersion Silver), que también proporciona resistencia a la corrosión y buena conductividad.

Conformales

Los recubrimientos conformales son capas finas de material que se aplican sobre el ensamble de PCB, proporcionando protección contra el medio ambiente, la humedad, el polvo y la contaminación química. Entre los tipos de recubrimientos conformales, podemos encontrar:

  • Acrílico: proporciona buena protección contra humedad y es fácil de aplicar, aunque puede ser menos resistente en comparación con otros materiales.
  • Silicona: ofrece excelente resistencia a la humedad y a altas temperaturas, pero puede ser más difícil de aplicar y remover que otros recubrimientos conformales.
  • Poliuretano: brinda protección superior contra la humedad y la contaminación química, pero puede ser más complicado de aplicar y de reparar.

En resumen, los acabados y protecciones utilizados en una tarjeta electrónica PCB garantizan su funcionamiento y durabilidad, adecuándose a los requerimientos específicos de cada aplicación.

Herramientas Digitales

Software de CAD para Electrónica

El uso de software de CAD (Diseño Asistido por Computadora) es esencial en el diseño de tarjetas electrónicas PCB. Estos programas permiten a los ingenieros y diseñadores crear y visualizar prototipos virtuales de sus dispositivos electrónicos antes de fabricarlos. Algunos de los programas más populares incluyen:

  • Altium Designer: software versátil con características avanzadas, ideal para diseñadores experimentados.
  • Eagle: una opción popular y accesible, adecuada para principiantes y profesionales por igual.
  • KiCad: una opción de código abierto y gratuita, que ofrece funcionalidades básicas pero suficientes para la mayoría de los proyectos.

Librerías de Componentes

Las librerías de componentes son colecciones de símbolos y modelos de piezas utilizadas en la creación de circuitos electrónicos. Estas librerías facilitan a los diseñadores la tarea de seleccionar y colocar componentes en el diseño de la PCB, evitando tener que crearlos desde cero. Algunas librerías populares incluyen:

  • SnapEDA: plataforma en línea que ofrece una extensa colección de modelos de componentes, compatible con varios softwares de CAD.
  • Ultra Librarian: una biblioteca de componentes amplia y de fácil acceso, compatible con múltiples programas de diseño.

Es importante seleccionar las librerías de componentes adecuadas para cada proyecto, teniendo en cuenta la compatibilidad con el software de diseño utilizado y las necesidades específicas del dispositivo electrónico en desarrollo. También vale la pena revisar y actualizar periódicamente las librerías utilizadas para mantenerse al día con los componentes más recientes y eficientes disponibles en el mercado.

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