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Cómo se fabrica una PCB

Una PCB (Printed Circuit Board) o placa de circuito impreso es uno de los elementos electrónicos más importantes de la actualidad, junto con el circuito integrado. Estas placas son la base para insertar el resto de componentes, como las resistencias, condensadores, transistores, diodos, CIs, etc., montándolos superficialmente.

Y, si te preguntabas cómo se fabrican estos circuitos, en este artículo podrás conocer todo el proceso explicado paso por paso.

¿Qué es un PCB o circuito impreso?

Las placas de circuito impreso, también conocidas como PCB, son placas electrónicas que se utilizan en la mayoría de los aparatos electrónicos, como teléfonos, electrodomésticos y equipos médicos. Las placas de circuito impreso están formadas por una pieza plana de material aislante, llamada sustrato, que se lamina sobre un material altamente conductor, normalmente cobre. Algunas placas están fabricadas con materiales flexibles, lo que permite utilizarlas en cajas y carcasas únicas que requieren doblarse alrededor de otras características de un dispositivo. A diferencia de las placas de circuito impreso de una sola cara, las de doble cara pueden montar los conductores de cobre a ambos lados de la placa.

En el uso informal, el término PCB se utiliza tanto para placas sin montar como montadas, el contexto aclara el significado. Una PCB es una placa de circuito desnuda sin ningún componente electrónico acoplado, mientras que una PCBA es un conjunto completo que contiene todos los componentes necesarios para que la placa funcione como se requiere para una aplicación deseada. La principal diferencia entre los dos términos es que PCB se refiere a una placa de circuito en blanco, mientras que PCBA se refiere a una placa que contiene todos los componentes electrónicos necesarios para que la placa funcione como se necesita.

Una placa de circuito impreso (PCB) es una placa base para soportar y conectar físicamente los componentes de montaje superficial y de enchufe de la mayoría de los productos electrónicos. Además de proporcionar la base física para estos componentes, las placas de circuito impreso permiten la conductividad eléctrica mediante vías que permiten su comunicación. Las placas de circuito impreso se construyen con materiales de núcleo dieléctrico que tienen escasas propiedades de conducción eléctrica para mantener las transferencias de los circuitos lo más limpias posible, y luego se espacian con más capas de metal y materiales dieléctricos según sea necesario. El material dieléctrico estándar utilizado para las placas de circuitos es un compuesto resistente al fuego de tela de fibra de vidrio trenzada y una resina epoxi conocida como FR-4, y las pistas y planos metálicos para los circuitos suelen ser de cobre.

Una placa de circuito impreso (PCB) es una lámina de un material aislante, como la fibra de vidrio, sobre la que se imprimen o graban circuitos o pistas metálicas para proporcionar conductividad eléctrica. Las placas de circuito impreso de doble capa, o de doble cara, tienen un material de base, con una fina capa de metal conductor de la electricidad, como el cobre, aplicada a cada lado de la placa.

Esto permite que los circuitos se completen utilizando menos espacio, liberando espacio para que la placa realice múltiples funciones, normalmente con velocidades más altas y pesos más ligeros que los que permiten las placas con agujeros pasantes. El uso de componentes con tecnología de agujeros pasantes coloca cada uno de los componentes eléctricos en lados opuestos de la propia placa, mientras que si se utilizan componentes con tecnología de montaje en superficie, todos se sitúan en el mismo lado.

Las primeras placas de circuito impreso utilizaban la tecnología de agujeros pasantes y montaban los componentes eléctricos colocando los cables en los agujeros de un lado de la placa y soldándolos a las pistas de cobre del otro lado. Los componentes se hicieron mucho más pequeños y la colocación de componentes en ambos lados de la placa se hizo mucho más común que con el montaje de agujeros pasantes, lo que permitió realizar montajes de PCB mucho más pequeños con una densidad de circuitos mucho mayor. La aplicación hizo posible añadir densidades mucho mayores de componentes en una placa de circuito impreso y utilizar esas densidades para construir dispositivos más potentes. Los desarrollos posteriores condujeron a las placas de circuito impreso de doble capa y multicapa, en las que se aplican más capas de cobre sobre dos o más capas del sustrato.

A continuación, se añadieron componentes electrónicos a las placas de circuito impreso y se realizó un grabado en sus superficies, lo que permitió el flujo de electricidad a través del cobre de un componente a otro. Conocidas como placas de circuito impreso, las placas de circuito impreso eliminan la necesidad de cableado. Aunque muchos aparatos electrónicos siguen incluyendo cables, las placas de circuito impreso ofrecen una solución más sencilla y eficaz.

En su lugar, las conexiones de cobre se colocan directamente sobre un sustrato aislante para formar una conexión eléctrica, y los procesos de fabricación de las placas de circuito impreso evolucionaron junto con los requisitos estructurales de los envases y las interconexiones electrónicas.

En los circuitos de radiofrecuencia y de conmutación de alta velocidad, la inductancia y la capacitancia de los conductores de las placas de circuito impreso se han convertido en elementos importantes de los circuitos, a menudo no deseados; en cambio, pueden utilizarse como parte deliberada del diseño del circuito, como en los filtros de elementos distribuidos, las antenas y los fusibles, eliminando la necesidad de más componentes discretos. Un pequeño subgrupo de estos tipos de circuitos se denominan circuitos rígidos-flexibles, en los que una parte de la placa de circuito es rígida -ideal para el montaje y la conexión de componentes- y una o más partes son flexibles, proporcionando las ventajas de los circuitos flexibles mencionados anteriormente. Algunas placas están fabricadas con materiales especiales debido a las altas frecuencias a las que trabajan, y otras tienen gruesas capas de cobre para circuitos de mayor potencia utilizados en paneles de control industrial y otras aplicaciones similares.

Estas placas tienen cuatro o más capas de cobre, laminadas sobre capas alternas de sustrato. Todos estos componentes se conectan a través de los circuitos de cobre impresos de la placa base. Las almohadillas metálicas se adhieren a los circuitos de la placa, lo que permite la interconexión de los componentes electrónicos.

Algunas placas se fabrican con materiales flexibles, lo que permite utilizarlas en cajas y carcasas únicas que requieren doblarse alrededor de otras características del dispositivo. Tanto si se trata de las sencillas placas de una capa utilizadas en el mando de la puerta del garaje, como de las placas de seis capas utilizadas en el reloj inteligente, o de las placas de circuito impreso de 60 capas, de alta densidad y súper rápidas, utilizadas en los superordenadores y servidores, las placas de circuito impreso son la base sobre la que se ensamblan todos los demás componentes electrónicos.

En el diseño de las placas de circuito impreso, los diseñadores utilizan programas informáticos especializados en el diseño de placas de circuito impreso para colocar y organizar cuidadosamente los componentes del circuito en la placa de circuito virtual utilizando los esquemas creados y probados en los pasos 2 y 3. Diseño frontal — En el diseño frontal, se seleccionan los componentes principales y, normalmente, se crean unos cuantos esquemas de circuitos principales para poder diseñar las funciones de la placa. Estas vías se imprimen o graban en las placas de circuito impreso de acuerdo con un diseño de PCB establecido.

PCBA también puede referirse al proceso de construcción de una placa de circuito impreso con los componentes necesarios. Una PCB es una placa de circuito impreso que se rellena con diferentes dispositivos electrónicos como semiconductores, diodos, condensadores, resistencias y otros componentes que realizan funciones eléctricas específicas. Aunque las placas de circuito impreso son fundamentales para alimentar muchos objetos domésticos como ordenadores, televisores, consolas de juegos y hornos microondas, además de una variedad de aparatos electrónicos médicos, de automoción e industriales, las placas de circuito impreso están en gran medida ocultas a la vista.

Diferencias con un circuito integrado

Un circuito impreso o PCB es una placa de circuito con componentes discretos soldados a ella, como ya he comentado en el apartado anterior. Sin embargo, el circuito integrado, o CI, es un chip, una pastilla monolítica donde hay una serie de componentes integrados en ella y de dimensiones muy reducidas.

Los circuitos integrados son combinaciones de diodos, microprocesadores y transistores, minimizados en obleas de silicio. Un circuito integrado es una compleja superposición de semiconductores, cobre y otros materiales de interconexión para formar resistencias, transistores y otros componentes. Un CI, o circuito integrado, incluye entre miles y millones de componentes electrónicos, como resistencias, transistores y condensadores, que se fabrican en un solo chip. Un solo circuito integrado puede contener entre miles y millones de estos circuitos electrónicos, dependiendo de su capacidad de procesamiento.

En otro asalto a la complejidad de los CI, los componentes que tradicionalmente se fabricaban como chips discretos que se conectaban entre sí en una placa de circuito impreso se diseñaron para ocupar un solo chip, que contenía la memoria, el microprocesador o los microprocesadores, las interfaces periféricas, los controles lógicos de entrada/salida, los convertidores de datos y otros componentes que, en conjunto, formaban todo un sistema electrónico. El CI utiliza un material semiconductor (el chip de lectura) como mesa de trabajo, y a menudo se elige el silicio para este fin. En el circuito integrado, varios componentes forman parte de un semiconductor de pequeño tamaño, por lo que los componentes individuales u otros componentes no pueden ser retirados y sustituidos, por lo que si un componente del CI falla, hay que sustituir todo el CI por el nuevo componente. Un circuito integrado (CI) es un conjunto de pequeños componentes electrónicos creados y conectados entre sí en una única oblea de semiconductor para cumplir una función común; como oscilador, puerta lógica, amplificador, temporizador, contador, memoria de ordenador o microprocesador, entre otros.

Un circuito integrado (CI), también llamado circuito microelectrónico, microchip o chip, es una agrupación de componentes eléctricos fabricados como una unidad, donde los dispositivos activos, a saber, transistores y diodos, y los dispositivos pasivos, a saber, condensadores y resistencias, igualmente, se fabrican como una sola pieza, con los dispositivos activos, en particular, las conexiones, se construyen sobre un sustrato semiconductor delgado (generalmente de silicio), con las conexiones miniaturizadas, se construyen sobre un sustrato delgado (generalmente de silicio). Un CI es un paquete que contiene silicio con una serie de circuitos, puertas lógicas, vías, transistores y otros componentes que trabajan juntos para realizar una función o conjunto de funciones específicas. Un ejemplo común de un CI moderno es el procesador de un ordenador, que suele contener millones o miles de millones de transistores, condensadores, puertas lógicas, etc., conectados entre sí para formar un complejo circuito digital.

Los chips semiconductores utilizados en dispositivos como los teléfonos inteligentes, las tabletas o los ordenadores portátiles son todos ellos circuitos integrados, que proporcionan a un sistema los circuitos eléctricos necesarios para llevar a cabo sus funciones. Casi todos los chips de circuitos integrados actuales son circuitos integrados de semiconductores de óxido metálico (MOS), construidos con MOSFET (transistores de efecto de campo de óxido metálico y silicio), FinFET, GAAFET, etc. En el interior de los primeros chips de circuitos integrados monolíticos había una compleja multicapa de obleas, cobre y otros materiales que se interconectaban para formar transistores, resistencias u otros componentes de un circuito.

El resultado de este proceso es un circuito de múltiples capas, con millones de diminutos transistores, resistencias y conductores creados dentro de una oblea. La integración da lugar a circuitos mucho más pequeños, rápidos y baratos que los construidos a partir de componentes electrónicos discretos.

Proceso de fabricación paso a paso

Los pasos para poder crear un PCB son:

  1. Se diseña el circuito impreso o PCB en el ordenador usando entornos EDA o programas CAD. De aquí se obtiene el layout, o unas plantillas con el enrrutado y las capas que ha de tener el circuito para su creación.
  2. Mediante una impresora especial se imprimen dichas plantillas que luego servirán como patrón para realizar los siguientes procesos de fabricación.
  3. Como base se usa una lámina aislante, que puede ser de baquelita, FR4, fibra de vídrio, etc. Esta lámina irá recubierta por una capa de cobre por ambos lados, que suele ser de menos de 100 micrones de espesor.
  4. Después se lamina el panel con una capa fotosensible. En este caso no es líquida como en los chips, sino que es un film muy delgado que se adhiere a la superficie.
  5. En otra máquina, se interpone una de las plantillas obtenidas en pasos previos como patrón para el revelado. Luego se hace pasar una luz a través de la plantilla y solo algunas zonas quedarán expuestas. Esas zonas cambian sus propiedades gracias a la capa fotosensible.
  6. La película que haya quedado expuesta protegerá al cobre, la no expuesta será lavada con facilidad. Esto hace que al ponerlo en un baño químico de carbonato de sodio, se eliminará el film no expuesto.
  7. Luego se baña en ácido como el cloruro férrico, ácido clorhídrico, etc., que eliminará el cobre que haya quedado expuesto en el paso anterior, y el que está protegido por la capa fotosensible permanecerá. Así es como se crean las conexiones o pistas conductoras de la PCB.
  8. Otro baño químico denominado stripping eliminará el resto del film que protege al cobre que ha permanecido en la PCB, ya que ya no es necesario.
  9. Luego vienen varios procesos de aclarado en agua para eliminar los químicos empleados y que no sigan con su corrosión.
  10. Una máquina de test óptico, o AOI, comprobará que el diseño es correcto y se corresponde con lo que se creó en el ordenador (layout). Si detecta un fallo descartará la placa. También puede haber algunos pasos extra como la comprobación de la continuidad de las pistas mediante un test.
  11. Ahora viene otro baño químico que lo que hace es dejar más rugosa la superficie de cobre, mejorando la adherencia para que el prepeg o preimpregnado se adhiera mejor.
  12. Otro paso conocido como stack-up hace que las láminas de aislante prepeg y cobre se entrelacen y mediante presión de una prensa y temperatura elevada, se unirán las capas necesarias que se han ido creando siguiendo los mismos pasos descritos hasta el momento.
  13. Después, un equipo de taladrado agujerea el tablero si es necesario para que esas perforaciones se transformen en vías enterradas que quedan entre capas. Y se limpiarán los taladros mediante un líquido.
  14. Se aplica carbono a los taladros, para facilitar la metalización por electrólisis.
  15. Ahora se continúa con otro par de capas o cores si los hay, y así sucesivamente hasta terminar con el diseño. Ten en cuenta que las placas base no solo tienen la cara de la zona delantera y trasera, sino que hay muchas capas que no se ven a simple vista.
  16. Una vez que se han conseguido todas las capas necesarias, se dejarán para el final alas capas exteriores, y se montarán sobre las otras del centro en forma de sándwich.
  17. Un taladrador láser perforará unos pequeños orificios para crear microvías, para interconectar capas. Y los taladros que traspasan toda la placa PCB se harán mediante taladro mecánico.
  18. Nuevamente se procede a limpiar los taladros de los retos dejados por la broca y a usar carbono en ellos (blackhole). Ahora, el cobre se vuelve a proteger con otra capa de film protector.
  19. Se deposita cobre sobre las pistas descubiertas y taladros mediante metalización electrolítica y de esa forma se quedan unidos eléctricamente. Después, una capa de estaño electrolítico actuará como máscara.
  20. Un baño químico eliminará el film que ha quedado en las zonas que no tienen que quedar y solo quedará nuevamente el cobre o las pistas que sí que deben estar. También eliminará el estaño que sirvió como máscara.
  21. Luego se procede a realizar otro ataque químico que volverá a aportar rugosidad a la capa para la adherencia necesaria .
  22. Un rodillo depositará una máscara de soldadura, una tinta fotosensible y antisoldadura que da el color a la placa del CPB.
  23. Una plantilla ayudará nuevamente a la exposición para grabar zonas que se necesitan grabar, y las no expuestas se revelan y quedan sin tinta.
  24. Es el momento de aplicar la leyenda de los componentes, es decir, las letras y códigos que aparecen en la superficie de la PCB para obtener información de los componentes que hay en ella. Para ello se emplea una impresora de alta resolución y una tinta especial.
  25. Después se procederá a realizar el acabado metálico.
  26. Luego se realiza un baño de agua desionizada para limpiar los restos.
  27. Un test eléctrico realizado por una máquina comprobará el buen funcionamiento de la placa probando la continuidad de las vías y si existe un buen aislamiento entre capas.
  28. Ahora, un robot montará los componentes superficiales y los soldará. Y un operario comprobará mediante un microscopio si se aprecian buenas soldaduras o retocará a mano si alguna hay que rectificar.
  29. Después se realizará un test completo que prueba todo el PCB al completo. Y una vez está 100% funcionando, se suele presentar una capa de protección contra la corrosión de silicona, poliuretano, acrílico, epoxi, etc.
  30. Ahora el producto estará listo para ser empaquetado y el procedimiento de fabricación habrá concluido.

¿Te imaginabas que el proceso de fabricación de un PCB era así? ¡Déjanos tus comentarios!

Isaac Romero Torres

Más de una década trabajando en el ámbito de la investigación sobre arquitecturas y microarquitecturas de CPUs, de la electrónica, la lógica digital, de los sistemas operativos Unix (con los que trabajé como asesor para algunas empresas), programación de MCUs, PLCs, hacking, etc.
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