Fabricación de PCB
Primero que nada, para poder realizar un diseño de PCB «bueno» es importante conocer como es que se fabrican estas tarjetas. El proceso de fabricación de PCB, comienza con una lamina de material dieléctrico cubierta de cobre.
El cobre por ambas caras si la PCB sera de 2 o mas capas. Observar figura 1 en donde se representan 2 casos de PCBs. El siguiente dibujo representa el corte transversal.
Como se forma una tarjeta de circuito impreso
La tarjeta inicial es de material epoxico, usualmente FR-4. Esta se encuentra recubierta de material conductor, en este caso cobre. El ancho de el cobre en esta placa es medido en onzas por pie cuadrado (Oz/ft2). Uno de los parámetros más común en la fabricación de PCBs, es el de 1 Oz/ft2.
Este espesor equivale a 1.2 a 1.4 milésimas de pulgada o mils. Este parámetro se le conoce como espesor de cobre. El espesor estándar de una PCB incluyendo todas sus capas es de 1.6mm.
Cuando se realiza la fabricación de una PCB multicapa, se considera una tarjeta de material epoxico laminada. Esta tarjeta con cobre en donde se une con otra similar, el nuevo material intermedio se le conoce como prepreg. El prepreg es una combinación de una resina y una fibra. Se pueden formar arreglos de PCBs de diferentes combinaciones de materiales, por ejemplo, la figura anterior muestra dos casos una PCB de 2 capas y otra con una de 4 capas.
Prensado de un PCB
El proceso de fabricación prensa las capas para que el prepreg se solidifique y pegue. A continuación, se presenta la figura en donde tenemos el caso de que el dieléctrico A es FR-4 y el dieléctrico B es prepreg. En este caso se tienen 2 PCBs de 2 caras y se introduce en medio de ambas una lamina de fibra. Esta fibra sera bañada en resina para formar el pre-preg. En la figura 2 se puede observar como es que se acomodan y alinean con las guías.
En el proceso de fabricación y curado de la PCB, las trazas de cobre se tienen que implementar de manera previa. Además en algunos casos las perforaciones también. Esto debido a que una PCB multicapa puede llegar a tener vias en las capas internas solamente. Este proceso suele ser costoso de fabricar ya que se tiene que segmentar el proceso de perforado.
Grabado de traza de cobre en la fabricación de PCB
Para poder realizar las trazas de cobre en el PCB es necesario retirar el cobre restante de manera selectiva. Existen varios métodos de retirar el cobre en función al diseño requerido. El primer método, usado en el diseño de prototipos usualmente es el de desbaste mecánico. Este se realiza con un equipo de control numérico o CNC con una broca de desbaste. Este proceso suele se usado para escalas pequeñas y su resolución no es tan buena comparada a el otro método, que es fotolitografía.
El método de fotolitografía y grabado químico se implementa depositando un polímero en la zona donde se requiere mantener el cobre. Este polímero se deposita en toda la PCB y mediante fotolitografía con UV se selecciona el área deseada para posteriormente lavar el polímero que no fue expuesto al curado. Este polímero resiste el proceso de grabado químico, el cual es un químico que disuelve el cobre. El proceso de este método se puede observar en la siguiente figura.
Platinado y mascara antisoldante
Una vez realizado el curado de la PCB se proceden a realizar las perforaciones, estas perforaciones pueden ser para vias o pines de algún componente. Es importante mencionar que estas perforaciones tienen que generar una continuidad eléctrica entre las diferentes capas, sin embargo las mismas se realizan con una broca de perforación. Es por esto que la PCB se introduce a un platinado, para que la misma mediante electrolisis forme una capa de material conductivo. Esta capa suele tener un grosor medio de 1 mil.
La capa de mascara antisoldante previene que el platinado recubra toda la PCB. Además, esta capa sirve principalmente para proteger las capas externas de la PCB de oxidación y de puentes de soldadura en PADs cercanos. Esta capa suele implementarse mediante un proceso de serigrafia con una pintura especial.
Fabricación de PCB fotos de PCBs
A continuación, presentamos una foto de un corte transversal de un corte de una PCB de 4 capas. En esta primera figura podemos observar las 4 capas de cobre. Nótese la diferencia de espesor entre el cobre y el dieléctrico. Así como también es importante mencionar la diferencia entre los dieléctricos FR-4 y Pre-preg.
En la siguiente figura, además de las capas podemos observar una vía. Esta vía puede ser de conectividad o para un componente PTH. El proceso de fabricación de PCB a el momento de platinar las tarjetas, llena las perforaciones con material conductor. Esta parte de la via se le conoce como barril. Notesé que las 4 capas están conectadas a la via.
En la siguiente figura podemos observar la mascara antisoldante (en este caso color rojo). Notar que se tiene una separación entre el PAD o via y la mascara antisoldante. Notese que para los PADs de esta figura la mascara evita toda el área en general. Lo que se ve de un color más obscuro es el material dieléctrico. Lo que se ve mas claro es el cobre protegido con mascara antisoldante.
Por último, tenemos la capa de serigrafía, también conocida como silk screen. Esta capa no afecta el funcionamiento eléctrico de la tarjeta o PCB, solo es para indicar que componente es o que valor tiene, en esta capa se pueden poner información como números de serie, códigos de barras, fecha, revisión o logotipos. En las siguientes figuras se puede observar claramente esta capa de color blanco.
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Ejemplos de fabricación de PCB
El proceso de fabricación de PCB es capaz de gestionar formas distintas a las de un rectángulo, como por ejemplo la siguiente PCB.
Los terminados de las PCBs puede variar, algunos de los mas comunes son: HASL (Figura 8) y EING (Figura 9), notese el color plateado y dorado entre ambos. El HASL es bajo costo, fácil de re-trabajar y el más utilizado, pero las superficies que deja no son tan planas, no es recomendado para espaciamientos muy pequeños y es susceptible a cambios térmicos radicales. El EING, es de costo medio, con superficies mas suaves que el HASL y recomendado para PCBs de alta velocidad o antenas en PCB, no se recomienda para PTH y tiene un menor tiempo de vida.
Además en el proceso de fabricación de un PCB es posible penalizar tus diseños. Toma en cuenta esto si vas a montar componentes con un pick and place.
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