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Tarjeta

Aug 17, 2023 Uncategorized

Las tarjetas de circuito impreso (PCB, por sus siglas en inglés) son una parte fundamental en la electrónica actual. Estas conforman la base de casi todos los dispositivos electrónicos, desde teléfonos móviles hasta sistemas de control de maquinaria pesada. Estas tarjetas permiten la conexión entre distintos componentes electrónicos de una manera compacta y organizada, lo que ha facilitado el avance tecnológico en la industria a lo largo del tiempo.

Para entender cómo funcionan las tarjetas de circuito impreso, es importante conceptualizar su estructura y los materiales que las componen. Por lo general, están hechas de un material aislante, como el plástico, y contienen trazas de conductores eléctricos, generalmente de cobre, que pueden estar en varias capas. Estas trazas establecen las conexiones entre los distintos componentes electrónicos que se encuentran en la tarjeta y facilitan el flujo de corriente eléctrica y las señales entre ellos.

Además, cabe destacar que el proceso de diseño y fabricación de una tarjeta de circuito impreso involucra una serie de pasos y métodos que optimizan su funcionamiento y compatibilidad con los distintos dispositivos electrónicos. Este proceso, que ha evolucionado a lo largo de los años, abarca desde la creación del esquema eléctrico hasta la fabricación y el montaje de componentes, todo ello de acuerdo a las necesidades del dispositivo para el que ha sido diseñada la tarjeta.

Componentes de la Tarjeta de Circuito Impreso

Capas del PCB

Las tarjetas de circuito impreso (PCB) pueden ser de una sola capa, doble capa o multicapa, según el número de capas de cobre que las componen.

  • Una sola capa: Una capa de cobre en un lado del sustrato.
  • Doble capa: Dos capas de cobre, una en cada lado del sustrato.
  • Multicapa: Más de dos capas de cobre, separadas por capas aislantes y unidas mediante vías.

Materiales de Base

Los materiales de base más comunes para las PCB incluyen:

  • FR-4: Fibras de vidrio unidas con resina epoxi, resistentes al fuego y económicas.
  • CEM: Materiales compuestos de papel y fibras de vidrio con resina epoxi, ofrecen un equilibrio entre rendimiento y costo.
  • Fibras de polímeros: Materiales de alto rendimiento como PTFE, utilizados en aplicaciones de alta frecuencia.

Traces y Espacios

Los traces son las líneas de cobre que conectan los componentes electrónicos en la PCB. Los principales factores que influyen en su diseño son:

  • Ancho: Determina la corriente máxima que puede soportar el trace.
  • Espaciado: Compatibilidad electromagnética y minimización de la diafonía entre traces cercanos.
  • Grosor: Asegura la conductividad eléctrica y la estabilidad mecánica.

Los espacios son las separaciones entre traces, pads y otros elementos de la PCB. Estos garantizan el correcto funcionamiento del circuito, reduciendo el riesgo de cortocircuitos y interferencias electromagnéticas. Algunos factores que influyen en el diseño de espacios son:

  • Normativa: Espaciado mínimo requerido por la industria y regulaciones.
  • Diseño: Componentes más pequeños y densos, que requieren espacios más estrechos.
  • Ruido e interferencias: Espacios más amplios para reducir las interferencias.

Diseño de la Tarjeta de Circuito Impreso

Diseño Esquemático

El diseño esquemático es la representación gráfica de la organización de todos los componentes electrónicos y sus conexiones en una tarjeta de circuito impreso. Este proceso implica elegir los componentes adecuados, calcular sus valores y especificaciones y definir las conexiones eléctricas entre ellos.

Para lograr un diseño esquemático adecuado, es necesario seguir estos pasos:

  1. Identificar los componentes requeridos.
  2. Seleccionar y organizar los componentes dentro de un entorno de diseño asistido por computadora (CAD).
  3. Crear el diagrama esquemático.
  4. Verificar las conexiones y la lógica de diseño.

Diseño en Capas

La disposición de la tarjeta de circuito impreso se realiza en diferentes capas, cada una con sus propias funciones y características. Las tarjetas pueden tener desde una sola capa hasta varias capas, dependiendo de la complejidad y los requisitos de espacio. Estas son algunas de las capas más comunes en el diseño de PCB:

  • Capa de señales: Conduce las señales eléctricas de un componente a otro.
  • Capa de potencia: Suministra los voltajes necesarios a los componentes de la tarjeta.
  • Capa de tierra: Sirve como referencia de voltaje y minimiza el ruido eléctrico.
  • Capa de máscara de soldadura: Protege las vías y las pistas de la corrosión y proporciona un aislamiento entre las diferentes conexiones.

Consideraciones Ambientales

El diseño de una tarjeta de circuito impreso también debe tener en cuenta el entorno en el que funcionará. Algunas consideraciones ambientales importantes incluyen:

  • Temperatura: Los componentes deben soportar el rango de temperatura esperado en el entorno de funcionamiento. Es crucial seleccionar componentes con rangos de temperatura adecuados y diseñar el PCB de manera que disipe el calor de manera eficiente.
  • Humedad: La PCB y sus componentes deben resistir el nivel de humedad en el entorno para evitar problemas de condensación y corrosión.
  • Resistencia a la vibración y al impacto: La tarjeta de circuito impreso debe ser lo suficientemente robusta como para soportar posibles vibraciones e impactos mecánicos. Esto es especialmente importante en aplicaciones de vehículos y equipos industriales.
  • Compatibilidad electromagnética: Es fundamental minimizar las interferencias electromagnéticas en el diseño, tanto en emisiones como en inmunidad.

Proceso de Fabricación

Preparación del Material de Base

La fabricación de tarjetas de circuito impreso (PCB) comienza con la preparación del material de base. El material más comúnmente utilizado es el laminado de cobre, que está compuesto por una lámina de cobre adherida a un sustrato aislante. Primero, el laminado es cortado a las dimensiones necesarias según el diseño del circuito.

Fotolitografía

El siguiente paso en el proceso de fabricación es la fotolitografía. Esta etapa consiste en transferir el patrón del diseño del circuito a la lámina de cobre mediante un proceso de exposición a la luz:

  1. Se aplica una capa de resistencia fotosensible al laminado de cobre.
  2. El diseño del circuito, representado en una película fotográfica, se coloca encima del laminado.
  3. El laminado es expuesto a la luz ultravioleta, que endurece la resistencia fotosensible en las áreas expuestas.
  4. Se remueve la película y se sumerge el laminado en una solución química que disuelve las áreas no expuestas de la resistencia fotosensible.
  5. Finalmente, se ataca químicamente la lámina de cobre, eliminando las áreas de cobre no protegidas por la resistencia fotosensible. Esto deja el diseño del circuito impreso en la lámina de cobre.

Perforación

Una vez realizado el diseño en la lámina de cobre, se procede a la perforación de los orificios para componentes y conexiones eléctricas. Los orificios son perforados utilizando máquinas CNC controladas por computadora, que siguen las coordenadas especificadas en los archivos del diseño del circuito. Después de la perforación, se limpian los orificios y se preparan para el siguiente paso.

Recubrimiento

El último paso en el proceso de fabricación de PCB es el recubrimiento. En esta etapa, se protegen las pistas y puntos de conexión eléctrica contra la corrosión y se mejora la capacidad de soldadura de la tarjeta. Los recubrimientos más comunes incluyen:

  • Soldermask: es una capa de material aislante que se aplica en ambos lados del PCB, dejando expuestas solo las áreas donde se realizarán las conexiones eléctricas.
  • Silkscreen: es una capa adicional que contiene información útil, como la marca del fabricante, designaciones de componentes y logotipos.

Después de aplicar estos recubrimientos, la tarjeta de circuito impreso está lista para ser ensamblada con los distintos componentes electrónicos.

Métodos de Montaje de Componentes

Through-Hole

El método de montaje through-hole o de orificio pasante es uno de los métodos más tradicionales para montar componentes electrónicos en tarjetas de circuito impreso (PCB). Los componentes tienen terminales largas que atraviesan agujeros en la tarjeta y se sueldan al otro lado. Este método es altamente confiable, pero tiene algunas desventajas como la ocupación de espacio en ambos lados y un proceso de montaje más lento. Algunas ventajas de este método incluyen:

  • Larga durabilidad de las soldaduras
  • Alta resistencia mecánica
  • Facilidad de reparación y reemplazo

SMT (Surface-Mount Technology)

La tecnología de montaje superficial (SMT) es otro método de montaje de componentes común en tarjetas de circuito impreso. A diferencia del método through-hole, en SMT los componentes se colocan y se sueldan directamente sobre las superficies de la tarjeta. Esto reduce significativamente el espacio requerido y permite la miniaturización de los dispositivos electrónicos. Algunos beneficios del SMT:

  • Mayor densidad de componentes
  • Mejora de la eficiencia eléctrica
  • Proceso automatizado y más rápido
Comparación: Through-Hole vs SMT 
Reparación y reemplazoThrough-Hole: más fácil
 SMT: más difícil
Resistencia mecánicaThrough-Hole: alta
 SMT: menor que through-hole
Densidad de componentesSMT: mayor
 Through-Hole: menor

Es importante elegir un método de montaje en función de las necesidades del proyecto y considerando aspectos como espacio, resistencia mecánica y producción.

Pruebas y Calidad

Inspección Óptica Automatizada (AOI)

La Inspección Óptica Automatizada (AOI) es un método clave para garantizar la calidad en tarjetas de circuito impreso (PCB). El proceso AOI utiliza cámaras de alta resolución y software avanzado para detectar defectos, como:

  • Componentes faltantes o incorrectos
  • Posición incorrecta de componentes
  • Soldaduras defectuosas

Esta inspección temprana en el proceso de producción garantiza que los errores se identifiquen antes de que la PCB pase a las siguientes etapas, reduciendo los costes y mejorando la eficacia.

Rayos X

La inspección mediante Rayos X es otra técnica importante en la verificación de la calidad de las PCB. En esta técnica, se utiliza radiación de Rayos X para inspeccionar:

  • Conexiones ocultas
  • Posibles cortocircuitos
  • Problemas en el interior de los componentes

Este sistema permite detectar problemas que no serían visibles mediante inspección visual u óptica tradicional. Además, ayuda a garantizar la funcionalidad y durabilidad de las PCBs.

Ensayo En-Circuito

El Ensayo En-Circuito es un método de prueba que consiste en aplicar tensiones y corrientes específicas a las PCB para evaluar su rendimiento. Este tipo de prueba ayuda en la detección de:

  • Resistencias incorrectas
  • Capacitores y diodos defectuosos
  • Conexiones faltantes o incorrectas

Este procedimiento se lleva a cabo utilizando sondas y equipos especializados que miden y analizan las respuestas eléctricas de la PCB. Gracias a estos datos, los fabricantes pueden identificar y corregir cualquier problema antes de que las tarjetas de circuito impreso lleguen a los usuarios finales.

Reciclaje y Descarte

El proceso de reciclaje y descarte de tarjetas de circuito impreso (PCB) es esencial para disminuir su impacto ambiental y evitar la acumulación de desechos electrónicos. A continuación, se presentan algunos aspectos importantes a considerar en este ámbito.

En primer lugar, es fundamental distinguir entre los diferentes materiales, componentes y sustancias presentes en las PCB, ya que deben ser tratados y desechados de manera adecuada. Algunos son:

  • Metales preciosos: como el oro, la plata y el platino, que pueden ser recuperados y reutilizados.
  • Metales no preciosos: como el cobre, el níquel y el aluminio, que también pueden ser reciclados.
  • Componentes electrónicos: como resistencias, condensadores y transistores, que pueden ser extraídos y reutilizados en otros dispositivos.
  • Sustancias tóxicas: como el plomo, el mercurio y los retardantes de llama, que deben ser eliminados de manera segura y conforme a las regulaciones locales.

Existen varios métodos para el reciclaje de PCB, entre los cuales destacan:

  1. Método mecánico: desmontaje manual de los componentes aprovechables y trituración del material restante.
  2. Método químico: utilización de ácidos y disolventes para extraer los metales y separar los componentes del resto de materiales.
  3. Método de fundición: aplicación de calor para fundir los metales y separarlos del resto de materiales.

Para facilitar el proceso de reciclaje y descarte, es conveniente seguir algunas buenas prácticas, como:

  • Separar los componentes y materiales reciclables de aquellos que deben ser desechados.
  • Acudir a un centro de reciclaje especializado en desechos electrónicos si no se cuenta con las herramientas y conocimientos necesarios para realizar estas actividades.
  • Evitar el uso excesivo de materiales tóxicos en el diseño y fabricación de PCB y optar por alternativas más ecológicas siempre que sea posible.

La correcta gestión del reciclaje y descarte de tarjetas de circuito impreso es fundamental para minimizar el impacto ambiental y aprovechar al máximo los recursos y materiales disponibles.

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