Placa de circuito impreso

Una placa de circuito impreso ( PCB ), también llamada placa de cableado impreso ( PWB ), es una estructura sándwich laminada de capas conductoras y aislantes , cada una con un patrón de trazos, planos y otras características (similares a cables en una superficie plana) grabados a partir de una o más capas de láminas de cobre laminadas sobre o entre capas de láminas de un sustrato no conductor. ^[1] Las PCB se utilizan para conectar o "cablear" componentes entre sí en un circuito electrónico . Los componentes eléctricos se pueden fijar a almohadillas conductoras en las capas externas, generalmente mediante soldadura , que conecta eléctricamente y sujeta mecánicamente los componentes a la placa. Otro proceso de fabricación agrega vías , orificios perforados revestidos de metal que permiten interconexiones eléctricas entre capas conductoras, a placas con más de un solo lado.

Las placas de circuito impreso se utilizan en casi todos los productos electrónicos actuales. Las alternativas a las PCB incluyen la envoltura de cables y la construcción punto a punto , ambas populares en el pasado pero que ahora se utilizan poco. Las PCB requieren un esfuerzo de diseño adicional para diseñar el circuito, pero la fabricación y el ensamblaje se pueden automatizar. Hay disponible un software de automatización del diseño electrónico para realizar gran parte del trabajo de diseño. La producción en masa de circuitos con PCB es más barata y rápida que con otros métodos de cableado, ya que los componentes se montan y se conectan en una sola operación. Se pueden fabricar grandes cantidades de PCB al mismo tiempo y el diseño solo se debe realizar una vez. Las PCB también se pueden fabricar manualmente en pequeñas cantidades, con beneficios reducidos. ^[2]

Las PCB pueden ser de una sola cara (una capa de cobre), de doble cara (dos capas de cobre en ambos lados de una capa de sustrato) o multicapa (capas apiladas de sustrato con revestimiento de cobre intercalado entre cada una y en las capas externas). Las PCB multicapa proporcionan una densidad de componentes mucho mayor, porque las trazas de circuitos en las capas internas de otro modo ocuparían espacio superficial entre los componentes. El aumento de la popularidad de las PCB multicapa con más de dos, y especialmente con más de cuatro, planos de cobre fue concurrente con la adopción de la tecnología de montaje superficial . Sin embargo, las PCB multicapa hacen que la reparación, el análisis y la modificación en campo de los circuitos sean mucho más difíciles y, por lo general, poco prácticas.

El mercado mundial de PCB desnudos superó los 60,2 mil millones de dólares en 2014, ^[3] y se estimó en 80,33 mil millones de dólares en 2024, y se prevé que alcance los 96,57 mil millones de dólares en 2029, con un crecimiento del 4,87% anual. ^[4]

Antes del desarrollo de las placas de circuitos impresos, los circuitos eléctricos y electrónicos se conectaban punto a punto en un chasis. Normalmente, el chasis era un marco o una bandeja de chapa metálica, a veces con una base de madera. Los componentes se fijaban al chasis, normalmente mediante aisladores cuando el punto de conexión en el chasis era de metal, y luego sus cables se conectaban directamente o con cables puente mediante soldadura , o a veces utilizando conectores de crimpado , lengüetas de conector de cable en terminales de tornillo u otros métodos. Los circuitos eran grandes, voluminosos, pesados ​​y relativamente frágiles (incluso descontando las envolturas de vidrio rompibles de los tubos de vacío que a menudo se incluían en los circuitos), y la producción requería mucha mano de obra, por lo que los productos eran caros.

El desarrollo de los métodos utilizados en las placas de circuitos impresos modernas comenzó a principios del siglo XX. En 1903, un inventor alemán, Albert Hanson, describió conductores de láminas planas laminadas sobre una placa aislante, en múltiples capas. Thomas Edison experimentó con métodos químicos para recubrir conductores sobre papel de lino en 1904. Arthur Berry en 1913 patentó un método de impresión y grabado en el Reino Unido, y en los Estados Unidos Max Schoop obtuvo una patente ^[5] para rociar metal con llama sobre una placa a través de una máscara estampada. Charles Ducas en 1925 patentó un método de galvanoplastia de patrones de circuitos. ^[6]

Previo a la invención del circuito impreso y de un espíritu similar, John Sargrove inventó entre 1936 y 1947 el equipo para la fabricación de circuitos electrónicos (ECME), que rociaba metal sobre una placa de plástico de baquelita . El ECME podía producir tres placas de radio por minuto.

El ingeniero austríaco Paul Eisler inventó el circuito impreso como parte de un aparato de radio mientras trabajaba en el Reino Unido alrededor de 1936. En 1941, se utilizó un circuito impreso multicapa en las minas navales de influencia magnética alemanas .

Alrededor de 1943, Estados Unidos comenzó a utilizar la tecnología a gran escala para fabricar espoletas de proximidad para su uso en la Segunda Guerra Mundial. ^[6] Estas espoletas requerían un circuito electrónico que pudiera soportar ser disparado desde un arma y que pudiera producirse en cantidad. La División Centralab de Globe Union presentó una propuesta que cumplía con los requisitos: una placa de cerámica se serigrafiaría con pintura metálica para los conductores y material de carbono para las resistencias , con condensadores de disco cerámico y tubos de vacío subminiatura soldados en su lugar. ^[7] La ​​técnica resultó viable, y la patente resultante sobre el proceso, que fue clasificada por el Ejército de los EE. UU., fue asignada a Globe Union. No fue hasta 1984 que el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) le otorgó a Harry W. Rubinstein su Premio Cledo Brunetti por sus tempranas contribuciones clave al desarrollo de componentes y conductores impresos sobre un sustrato aislante común. Rubinstein fue honrado en 1984 por su alma mater, la Universidad de Wisconsin-Madison , por sus innovaciones en la tecnología de circuitos electrónicos impresos y la fabricación de condensadores. ^{[8] [9]} Esta invención también representa un paso en el desarrollo de la tecnología de circuitos integrados , ya que no solo se fabricaron cableados sino también componentes pasivos sobre el sustrato cerámico.

En 1948, Estados Unidos lanzó el invento para su uso comercial. Los circuitos impresos no se convirtieron en algo común en la electrónica de consumo hasta mediados de la década de 1950, después de que el ejército de los Estados Unidos desarrollara el proceso Auto-Sembly . Casi al mismo tiempo, en el Reino Unido, Geoffrey Dummer , que entonces trabajaba en el RRDE , llevó a cabo un trabajo similar .

Motorola fue uno de los primeros en introducir este proceso en la electrónica de consumo, y en agosto de 1952 anunció la adopción de "circuitos enchapados" en las radios domésticas tras seis años de investigación y una inversión de un millón de dólares. ^[10] Motorola pronto empezó a utilizar su término de marca registrada para el proceso, PLAcir, en sus anuncios de radio para consumidores. ^[11] Hallicrafters lanzó su primer producto de circuito impreso "fotograbado", un radio reloj, el 1 de noviembre de 1952. ^[12]

Incluso cuando las placas de circuitos empezaron a estar disponibles, el método de construcción de chasis punto a punto siguió siendo de uso común en la industria (como en los televisores y los equipos de alta fidelidad) al menos hasta finales de la década de 1960. Las placas de circuitos impresos se introdujeron para reducir el tamaño, el peso y el coste de las piezas de los circuitos. En 1960, un pequeño receptor de radio de consumo podía construirse con todos sus circuitos en una sola placa de circuitos, pero un televisor probablemente contendría una o más placas de circuitos.

Originalmente, cada componente electrónico tenía cables conductores , y una PCB tenía agujeros perforados para cada cable de cada componente. Luego, los cables del componente se insertaban a través de los agujeros y se soldaban a las pistas de cobre de la PCB. Este método de ensamblaje se llama construcción de orificios pasantes . En 1949, Moe Abramson y Stanislaus F. Danko del Cuerpo de Señales del Ejército de los Estados Unidos desarrollaron el proceso Auto-Sembly en el que los cables del componente se insertaban en un patrón de interconexión de lámina de cobre y se soldaban por inmersión . La patente que obtuvieron en 1956 fue asignada al Ejército de los EE. UU. ^[13] Con el desarrollo de las técnicas de laminación y grabado de placas , este concepto evolucionó hasta convertirse en el proceso estándar de fabricación de placas de circuito impreso que se usa hoy en día. La soldadura se podía realizar automáticamente pasando la placa sobre una ondulación u ola de soldadura fundida en una máquina de soldadura por ola . Sin embargo, los cables y los agujeros son ineficientes ya que perforar agujeros es costoso y consume brocas y los cables que sobresalen se cortan y se descartan.

Desde la década de 1980 en adelante, se han utilizado cada vez más piezas pequeñas de montaje superficial en lugar de componentes con orificios pasantes; esto ha dado lugar a placas más pequeñas para una funcionalidad determinada y a menores costos de producción, pero con algunas dificultades adicionales a la hora de reparar placas defectuosas.

En la década de 1990, el uso de placas de superficie multicapa se hizo más frecuente. Como resultado, el tamaño se minimizó aún más y se incorporaron PCB tanto flexibles como rígidos en diferentes dispositivos. En 1995, los fabricantes de PCB comenzaron a utilizar la tecnología de microvías para producir PCB de interconexión de alta densidad (HDI). ^[14]

Los recientes avances en la impresión 3D han significado que existen varias técnicas nuevas en la creación de PCB. La electrónica impresa en 3D (PE) se puede utilizar para imprimir elementos capa por capa y, posteriormente, el elemento se puede imprimir con una tinta líquida que contiene funcionalidades electrónicas.

La tecnología HDI (High Density Interconnect) permite un diseño más denso en la PCB y, por lo tanto, PCB potencialmente más pequeños con más trazas y componentes en un área determinada. Como resultado, los caminos entre los componentes pueden ser más cortos. Las HDI utilizan vías ciegas/enterradas, o una combinación que incluye microvías. Con PCB HDI multicapa, la interconexión de varias vías apiladas una sobre otra (vías apiladas, en lugar de una vía enterrada profundamente) puede hacerse más fuerte, mejorando así la confiabilidad en todas las condiciones. Las aplicaciones más comunes para la tecnología HDI son los componentes de computadoras y teléfonos móviles, así como el equipo médico y el equipo de comunicación militar. Una PCB de microvías HDI de 4 capas es equivalente en calidad a una PCB de orificio pasante de 8 capas, por lo que la tecnología HDI puede reducir los costos. Las PCB HDI a menudo se fabrican utilizando una película de acumulación como la película de acumulación de Ajinomoto, que también se utiliza en la producción de paquetes de chip invertido . ^{[15] [16]} Algunas PCB tienen guías de ondas ópticas, similares a las fibras ópticas incorporadas en la PCB. ^[17]

Una PCB básica consta de una lámina plana de material aislante y una capa de lámina de cobre , laminada al sustrato. El grabado químico divide el cobre en líneas conductoras separadas llamadas pistas o trazos de circuito , almohadillas para conexiones, vías para pasar conexiones entre capas de cobre y características como áreas conductoras sólidas para blindaje electromagnético u otros fines. Las pistas funcionan como cables fijos en su lugar y están aislados entre sí por el aire y el material del sustrato de la placa. La superficie de una PCB puede tener un revestimiento que protege el cobre de la corrosión y reduce las posibilidades de cortocircuitos de soldadura entre trazos o contacto eléctrico no deseado con cables desnudos sueltos. Por su función de ayudar a prevenir cortocircuitos de soldadura, el revestimiento se llama resistencia de soldadura o máscara de soldadura .

El patrón que se va a grabar en cada capa de cobre de una PCB se denomina "obra de arte". El grabado se realiza normalmente utilizando fotorresistencia que se aplica sobre la PCB y luego se expone a la luz proyectada en el patrón de la obra de arte. El material de resistencia protege al cobre de la disolución en la solución de grabado. A continuación, se limpia la placa grabada. Un diseño de PCB se puede reproducir en masa de forma similar a la forma en que se pueden duplicar en masa las fotografías a partir de negativos de película utilizando una impresora fotográfica .

El sustrato aislante más común es el epoxi de vidrio FR-4 . Otro material de sustrato es el papel de algodón impregnado con resina fenólica , a menudo de color tostado o marrón.

Cuando una PCB no tiene componentes instalados, se la denomina de forma menos ambigua placa de cableado impreso ( PWB ) o placa de cableado grabado . ^[18] Sin embargo, el término "placa de cableado impreso" ha caído en desuso. Una PCB poblada de componentes electrónicos se denomina conjunto de circuito impreso ( PCA ), conjunto de placa de circuito impreso o conjunto de PCB ( PCBA ). En el uso informal, el término "placa de circuito impreso" significa más comúnmente "conjunto de circuito impreso" (con componentes). El término preferido de IPC para una placa ensamblada es conjunto de tarjeta de circuito ( CCA ), ^[19] y para una placa base ensamblada es conjunto de placa base . "Tarjeta" es otro término informal ampliamente utilizado para un "conjunto de circuito impreso". Por ejemplo, tarjeta de expansión .

Una PCB puede tener impresa una leyenda que identifique los componentes, los puntos de prueba o un texto identificativo. Originalmente, se utilizaba la serigrafía para este fin, pero hoy en día se suelen utilizar otros métodos de impresión de mayor calidad. Normalmente, la leyenda no afecta al funcionamiento de una PCBA.

Una placa de circuito impreso puede tener múltiples capas de cobre que casi siempre están dispuestas en pares. La cantidad de capas y la interconexión diseñada entre ellas (vías, PTH) brindan una estimación general de la complejidad de la placa. El uso de más capas permite más opciones de enrutamiento y un mejor control de la integridad de la señal, pero también es una tarea que requiere mucho tiempo y es costosa de fabricar. Asimismo, la selección de las vías para la placa también permite un ajuste fino del tamaño de la placa, el escape de señales de circuitos integrados complejos, el enrutamiento y la confiabilidad a largo plazo, pero están estrechamente relacionados con la complejidad y el costo de producción.

Una de las placas más sencillas de producir es la de dos capas. Tiene cobre en ambos lados, lo que se conoce como capas externas; las placas multicapa intercalan capas internas adicionales de cobre y aislamiento. Después de las placas de circuito impreso de dos capas, el siguiente paso es la de cuatro capas. La placa de cuatro capas agrega significativamente más opciones de enrutamiento en las capas internas en comparación con la placa de dos capas y, a menudo, una parte de las capas internas se usa como plano de tierra o plano de energía, para lograr una mejor integridad de la señal, frecuencias de señalización más altas, menor EMI y mejor desacoplamiento de la fuente de alimentación.

En las placas multicapa, las capas de material se laminan juntas en un sándwich alterno: cobre, sustrato, cobre, sustrato, cobre, etc.; cada plano de cobre se graba y todas las vías internas (que no se extenderán a ambas superficies externas de la placa multicapa terminada) se recubren, antes de que las capas se laminen juntas. Solo es necesario recubrir las capas externas; las capas internas de cobre están protegidas por las capas de sustrato adyacentes.

Los componentes de "agujero pasante" se montan haciendo pasar sus cables a través de la placa y se sueldan a las pistas del otro lado. Los componentes de "montaje superficial" se fijan por sus cables a las pistas de cobre del mismo lado de la placa. Una placa puede utilizar ambos métodos para montar componentes. Las PCB con componentes montados únicamente mediante orificios pasantes son poco comunes en la actualidad. El montaje superficial se utiliza para transistores , diodos , chips de CI , resistencias y condensadores. El montaje mediante orificios pasantes se puede utilizar para algunos componentes grandes, como condensadores electrolíticos y conectores.

Las primeras PCB utilizaban tecnología de orificio pasante , montando componentes electrónicos mediante cables insertados a través de orificios en un lado de la placa y soldados a pistas de cobre en el otro lado. Las placas pueden ser de una sola cara, con un lado de componente sin revestimiento, o placas más compactas de doble cara, con componentes soldados en ambos lados. La instalación horizontal de piezas de orificio pasante con dos cables axiales (como resistencias, condensadores y diodos) se realiza doblando los cables 90 grados en la misma dirección, insertando la pieza en la placa (a menudo doblando los cables ubicados en la parte posterior de la placa en direcciones opuestas para mejorar la resistencia mecánica de la pieza), soldando los cables y recortando los extremos. Los cables se pueden soldar manualmente o con una máquina de soldadura por ola . ^[20]

La tecnología de montaje superficial surgió en la década de 1960, ganó impulso a principios de la década de 1980 y se utilizó ampliamente a mediados de la década de 1990. Los componentes se rediseñaron mecánicamente para tener pequeñas pestañas de metal o tapas de extremo que se podían soldar directamente sobre la superficie de la PCB, en lugar de cables que pasaran por los orificios. Los componentes se volvieron mucho más pequeños y la colocación de componentes en ambos lados de la placa se volvió más común que con el montaje por orificios pasantes, lo que permitió conjuntos de PCB mucho más pequeños con densidades de circuitos mucho más altas. El montaje superficial se presta bien a un alto grado de automatización, lo que reduce los costos de mano de obra y aumenta enormemente las tasas de producción en comparación con las placas de circuitos con orificios pasantes. Los componentes se pueden suministrar montados en cintas portadoras. Los componentes de montaje superficial pueden tener aproximadamente entre una cuarta y una décima parte del tamaño y el peso de los componentes con orificios pasantes, y los componentes pasivos son mucho más económicos. Sin embargo, los precios de los dispositivos semiconductores de montaje en superficie (SMD) están determinados más por el chip en sí que por el paquete, con pocas ventajas de precio sobre los paquetes más grandes, y algunos componentes con extremos de cable, como los diodos de conmutación de pequeña señal 1N4148 , son en realidad significativamente más baratos que sus equivalentes SMD.

Cada traza consiste en una parte plana y estrecha de la lámina de cobre que queda después del grabado. Su resistencia , determinada por su ancho, grosor y longitud, debe ser lo suficientemente baja para la corriente que transportará el conductor. Es posible que las trazas de alimentación y tierra deban ser más anchas que las trazas de señal . En una placa multicapa, una capa entera puede ser principalmente de cobre sólido para actuar como plano de tierra para blindaje y retorno de energía. Para circuitos de microondas , las líneas de transmisión se pueden colocar en forma plana, como stripline o microstrip, con dimensiones cuidadosamente controladas para asegurar una impedancia constante . En los circuitos de radiofrecuencia y conmutación rápida, la inductancia y la capacitancia de los conductores de la placa de circuito impreso se convierten en elementos de circuito significativos, generalmente no deseados; por el contrario, se pueden usar como una parte deliberada del diseño del circuito, como en filtros de elementos distribuidos , antenas y fusibles , obviando la necesidad de componentes discretos adicionales. Las PCB de interconexiones de alta densidad (HDI) tienen pistas o vías con un ancho o diámetro de menos de 152 micrómetros. ^[21]

Los laminados se fabrican curando capas de tela o papel con resina termoendurecible bajo presión y calor para formar una pieza final integral de espesor uniforme. Pueden tener hasta 4 por 8 pies (1,2 por 2,4 m) de ancho y largo. Se utilizan diferentes tramas de tela (hilos por pulgada o cm), espesor de tela y porcentaje de resina para lograr el espesor final y las características dieléctricas deseadas . Los espesores de laminado estándar disponibles se enumeran en ANSI/IPC-D-275. ^[22]

El material de tela o fibra utilizado, el material de resina y la relación tela-resina determinan la designación del tipo de laminado (FR-4, CEM -1, G-10 , etc.) y, por lo tanto, las características del laminado producido. Las características importantes son el nivel de retardancia del fuego del laminado , la constante dieléctrica ( _er ), la tangente de pérdida (tan δ), la resistencia a la tracción , la resistencia al corte , la temperatura de transición vítrea (Tg ₎ y el coeficiente de expansión del eje Z (cuánto cambia el espesor con la temperatura).

Existen varios dieléctricos diferentes que se pueden elegir para proporcionar diferentes valores de aislamiento según los requisitos del circuito. Algunos de estos dieléctricos son el politetrafluoroetileno (teflón), FR-4, FR-1, CEM-1 o CEM-3. Los materiales preimpregnados conocidos que se utilizan en la industria de PCB son FR-2 (papel de algodón fenólico), FR-3 (papel de algodón y epoxi), FR-4 (vidrio tejido y epoxi), FR-5 (vidrio tejido y epoxi), FR-6 (vidrio mate y poliéster), G-10 (vidrio tejido y epoxi), CEM-1 (papel de algodón y epoxi), CEM-2 (papel de algodón y epoxi), CEM-3 (vidrio no tejido y epoxi), CEM-4 (vidrio tejido y epoxi), CEM-5 (vidrio tejido y poliéster). La expansión térmica es una consideración importante, especialmente con las tecnologías de matriz de rejilla de bolas (BGA) y matriz desnuda, y la fibra de vidrio ofrece la mejor estabilidad dimensional.

El FR-4 es, con diferencia, el material más utilizado en la actualidad. El material de la placa que tiene cobre sin grabar se denomina "laminado revestido de cobre".

A medida que disminuye el tamaño de las características de la placa y aumenta la frecuencia, las pequeñas no homogeneidades como la distribución desigual de fibra de vidrio u otro relleno, las variaciones de espesor y las burbujas en la matriz de resina, y las variaciones locales asociadas en la constante dieléctrica, están ganando importancia.

Los sustratos de las placas de circuitos suelen ser materiales compuestos dieléctricos. Los materiales compuestos contienen una matriz (normalmente una resina epoxi ) y un refuerzo (normalmente fibras de vidrio tejidas, a veces no tejidas, a veces incluso papel) y, en algunos casos, se añade un relleno a la resina (por ejemplo, cerámica; se puede utilizar cerámica de titanato para aumentar la constante dieléctrica).

El tipo de refuerzo define dos clases principales de materiales: tejidos y no tejidos. Los refuerzos tejidos son más económicos, pero la constante dieléctrica elevada del vidrio puede no ser favorable para muchas aplicaciones de frecuencias más altas. La estructura espacialmente no homogénea también introduce variaciones locales en los parámetros eléctricos, debido a la diferente relación resina/vidrio en diferentes áreas del patrón del tejido. Los refuerzos no tejidos, o materiales con poco o ningún refuerzo, son más caros pero más adecuados para algunas aplicaciones analógicas/de RF.

Los sustratos se caracterizan por varios parámetros clave, principalmente termomecánicos ( temperatura de transición vítrea , resistencia a la tracción , resistencia al corte , expansión térmica ), eléctricos ( constante dieléctrica , tangente de pérdida , voltaje de ruptura dieléctrica , corriente de fuga , resistencia de seguimiento, etc.) y otros (por ejemplo, absorción de humedad).

A la temperatura de transición vítrea, la resina del compuesto se ablanda y aumenta significativamente la expansión térmica; si se excede la T _g , se ejerce una sobrecarga mecánica sobre los componentes de la placa, por ejemplo, las juntas y las vías. Por debajo de la T _g, la expansión térmica de la resina es aproximadamente igual a la del cobre y el vidrio; por encima, es significativamente mayor. Como el refuerzo y el cobre confinan la placa a lo largo del plano, prácticamente toda la expansión del volumen se proyecta hacia el espesor y tensiona los orificios pasantes enchapados. La soldadura repetida u otra exposición a temperaturas más altas puede provocar la falla del enchapado, especialmente con placas más gruesas; por lo tanto, las placas gruesas requieren una matriz con una T _g alta .

Los materiales utilizados determinan la constante dieléctrica del sustrato . Esta constante también depende de la frecuencia y, por lo general, disminuye con ella. Como esta constante determina la velocidad de propagación de la señal , la dependencia de la frecuencia introduce distorsión de fase en aplicaciones de banda ancha; en este caso, es importante lograr una constante dieléctrica frente a las características de frecuencia lo más plana posible. La impedancia de las líneas de transmisión disminuye con la frecuencia, por lo que los bordes más rápidos de las señales se reflejan más que los más lentos.

La tensión de ruptura dieléctrica determina el gradiente de tensión máximo al que puede estar sometido el material antes de sufrir una ruptura (conducción o arco eléctrico a través del dieléctrico).

La resistencia de seguimiento determina cómo el material resiste las descargas eléctricas de alto voltaje que se deslizan sobre la superficie de la placa.

La tangente de pérdida determina qué cantidad de energía electromagnética de las señales en los conductores se absorbe en el material de la placa. Este factor es importante para las frecuencias altas. Los materiales de baja pérdida son más caros. Elegir un material de baja pérdida innecesaria es un error de ingeniería común en el diseño digital de alta frecuencia; aumenta el costo de las placas sin un beneficio correspondiente. La degradación de la señal por la tangente de pérdida y la constante dieléctrica se puede evaluar fácilmente mediante un patrón visual .

La absorción de humedad se produce cuando el material se expone a una humedad elevada o al agua. Tanto la resina como el refuerzo pueden absorber agua; el agua también puede ser absorbida por fuerzas capilares a través de los huecos en los materiales y a lo largo del refuerzo. Los epoxis de los materiales FR-4 no son demasiado susceptibles, con una absorción de solo el 0,15%. El teflón tiene una absorción muy baja del 0,01%. Las poliimidas y los ésteres de cianato, por otro lado, sufren una alta absorción de agua. El agua absorbida puede provocar una degradación significativa de los parámetros clave; perjudica la resistencia de seguimiento, la tensión de ruptura y los parámetros dieléctricos. La constante dieléctrica relativa del agua es de aproximadamente 73, en comparación con aproximadamente 4 para los materiales de placas de circuito comunes. La humedad absorbida también puede vaporizarse al calentarse, como durante la soldadura , y provocar grietas y delaminación , ^[23] el mismo efecto responsable del daño por "palomitas de maíz" en los envases húmedos de las piezas electrónicas. Puede ser necesario hornear con cuidado los sustratos para secarlos antes de soldar. ^[24]

Materiales que se encuentran frecuentemente:

• FR-2 , papel fenólico o papel de algodón fenólico, papel impregnado con resina de fenol formaldehído . Común en productos electrónicos de consumo con placas de una sola cara. Propiedades eléctricas inferiores a las del FR-4. Resistencia al arco eléctrico deficiente. Generalmente, se puede clasificar hasta 105 °C.
• FR-4 , tejido de fibra de vidrio impregnado con resina epoxi . Baja absorción de agua (hasta aproximadamente 0,15 %), buenas propiedades de aislamiento, buena resistencia al arco eléctrico. Muy común. Hay varios grados disponibles con propiedades ligeramente diferentes. Normalmente, se puede clasificar hasta 130 °C.
• Aluminio , o placa de núcleo de metal o sustrato de metal aislado (IMS), revestido con un dieléctrico delgado conductor de calor; se utiliza para piezas que requieren una refrigeración importante: interruptores de potencia, LED. Consiste en una placa de circuito delgada, generalmente de una sola capa, a veces de doble capa, basada en, por ejemplo, FR-4, laminada sobre una lámina de aluminio, comúnmente de 0,8, 1, 1,5, 2 o 3 mm de espesor. Los laminados más gruesos a veces también vienen con una metalización de cobre más gruesa. ^{[25] [26]}
• Sustratos flexibles : pueden ser una lámina revestida de cobre independiente o pueden laminarse sobre un refuerzo delgado, por ejemplo, de 50 a 130 μm.
  • Kapton o UPILEX , ^[27] una lámina de poliimida . Se utiliza para circuitos impresos flexibles , en esta forma es común en electrónica de consumo de formato pequeño o para interconexiones flexibles. Resistente a altas temperaturas.
  • Pyralux, una lámina compuesta de fluoropolímero de poliimida. ^[28] La capa de cobre puede deslaminarse durante la soldadura.

Materiales que se encuentran con menos frecuencia:

• FR-1, al igual que FR-2, se especifica normalmente a 105 °C, algunos grados se clasifican a 130 °C. Se puede perforar a temperatura ambiente. Es similar al cartón. Tiene poca resistencia a la humedad. Baja resistencia al arco eléctrico.
• FR-3, papel de algodón impregnado con epoxi. Normalmente apto para 105 °C.
• FR-5, fibra de vidrio tejida y epoxi, alta resistencia a temperaturas más altas, normalmente especificadas a 170 °C.
• FR-6, vidrio mate y poliéster
• G-10 , fibra de vidrio tejida y epoxi: alta resistencia de aislamiento, baja absorción de humedad, muy alta resistencia de unión. Normalmente, se puede clasificar hasta 130 °C.
• G-11, vidrio tejido y epoxi: alta resistencia a solventes, alta retención de resistencia a la flexión a altas temperaturas. ^[29] Generalmente clasificado hasta 170 °C.
• CEM-1, papel de algodón y epoxi
• CEM-2, papel de algodón y epoxi
• CEM-3, vidrio no tejido y epoxi
• CEM-4, fibra de vidrio tejida y epoxi
• CEM-5, fibra de vidrio tejida y poliéster
• PTFE ("teflón"): caro, baja pérdida dieléctrica, para aplicaciones de alta frecuencia, muy baja absorción de humedad (0,01 %), mecánicamente blando. Difícil de laminar, rara vez se utiliza en aplicaciones multicapa.
• PTFE, relleno de cerámica: costoso, con baja pérdida dieléctrica, para aplicaciones de alta frecuencia. La variación de la relación cerámica/PTFE permite ajustar la constante dieléctrica y la expansión térmica.
• RF-35, PTFE reforzado con fibra de vidrio y relleno de cerámica. Relativamente más económico, buenas propiedades mecánicas y buenas propiedades de alta frecuencia. ^{[30] [31]}
• Alúmina , un material cerámico. Duro, quebradizo, muy caro, de muy alto rendimiento y buena conductividad térmica.
• Poliimida , un polímero de alta temperatura. Caro, de alto rendimiento. Mayor absorción de agua (0,4 %). Se puede utilizar desde temperaturas criogénicas hasta más de 260 °C.

El espesor del cobre de las PCB se puede especificar directamente o como el peso del cobre por área (en onzas por pie cuadrado), lo que es más fácil de medir. Una onza por pie cuadrado equivale a 1,344 milésimas de pulgada o 34 micrómetros de espesor. El cobre pesado es una capa que supera las tres onzas de cobre por pie ^cuadrado , o aproximadamente 0,0042 pulgadas (4,2 milésimas de pulgada, 105 μm) de espesor. Las capas de cobre pesado se utilizan para corrientes altas o para ayudar a disipar el calor.

En los sustratos FR-4 comunes, el espesor más común es de 1 oz de cobre por pie ^cuadrado (35 μm); los espesores de 2 oz (70 μm) y 0,5 oz (17,5 μm) suelen ser una opción. Menos comunes son los de 12 y 105 μm; a veces, en algunos sustratos se encuentran disponibles 9 μm. Los sustratos flexibles suelen tener una metalización más delgada. Las placas con núcleo metálico para dispositivos de alta potencia suelen utilizar cobre más grueso; 35 μm es lo habitual, pero también se pueden encontrar 140 y 400 μm.

En los EE. UU., el espesor de la lámina de cobre se especifica en unidades de onzas por pie cuadrado (oz/ft ² ), comúnmente denominadas simplemente onza . Los espesores comunes son 1/2 oz/ft ² (150 g/m ² ), 1 oz/ft ² (300 g/m ² ), 2 oz/ft ² (600 g/m ² ) y 3 oz/ft ² (900 g/m ² ). Estos equivalen a espesores de 17,05 μm (0,67 milésimas ), 34,1 μm (1,34 milésimas ), 68,2 μm (2,68 milésimas) y 102,3 μm (4,02 milésimas), respectivamente.

La lámina de cobre de 1/2 oz/ft ² no se usa ampliamente como peso de cobre terminado, pero se utiliza para capas externas cuando el enchapado para orificios pasantes aumentará el peso del cobre terminado. Algunos fabricantes de PCB se refieren a la lámina de cobre de 1 oz/ft ² como si tuviera un espesor de 35 μm (también puede denominarse 35 μ, 35 micrones o 35 mic).

• 1/0 – denota 1 oz/ft ² de cobre en un lado, sin cobre en el otro lado.
• 1/1 – denota 1 oz/ft ² de cobre en ambos lados.
• H/0 o H/H – denota 0,5 oz/ft ² de cobre en uno o ambos lados, respectivamente.
• 2/0 o 2/2 – denota 2 oz/ft ² de cobre en uno o ambos lados, respectivamente.

La fabricación de placas de circuito impreso implica la fabricación de placas de circuito impreso desnudas y luego su llenado con componentes electrónicos. En la fabricación de placas a gran escala, se agrupan varias PCB en un solo panel para un procesamiento eficiente. Después del ensamblaje, se separan ( se despanelizan ).

Una placa de circuito impreso mínima para un solo componente, utilizada para la creación de prototipos , se denomina placa de conexión . El propósito de una placa de conexión es "separar" los cables de un componente en terminales separados para que se puedan realizar conexiones manuales a ellos fácilmente. Las placas de conexión se utilizan especialmente para componentes de montaje superficial o cualquier componente con un paso de cable fino.

Las PCB avanzadas pueden contener componentes integrados en el sustrato, como condensadores y circuitos integrados, para reducir la cantidad de espacio que ocupan los componentes en la superficie de la PCB y, al mismo tiempo, mejorar las características eléctricas. ^[32]

Multiwire es una técnica patentada de interconexión que utiliza cables aislados enrutados a máquina e integrados en una matriz no conductora (a menudo resina plástica). ^[33] Se utilizó durante las décadas de 1980 y 1990. A partir de 2010, ^[actualizar]Multiwire todavía está disponible a través de Hitachi.

Dado que era bastante fácil apilar interconexiones (cables) dentro de la matriz de incrustación, el enfoque permitió a los diseñadores olvidarse por completo del enrutamiento de los cables (generalmente una operación que consume mucho tiempo en el diseño de PCB): en cualquier lugar donde el diseñador necesite una conexión, la máquina dibujará un cable en línea recta desde una ubicación/pin a otro. Esto llevó a tiempos de diseño muy cortos (no se utilizaron algoritmos complejos ni siquiera para diseños de alta densidad), así como a una diafonía reducida (que es peor cuando los cables corren paralelos entre sí, lo que casi nunca sucede en Multiwire), aunque el costo es demasiado alto para competir con tecnologías de PCB más económicas cuando se necesitan grandes cantidades.

Se pueden realizar correcciones en el diseño de una placa Multiwire con mayor facilidad que en el de una PCB. ^[34]

La construcción con madera de cordón puede ahorrar mucho espacio y se usaba a menudo con componentes con extremos de cable en aplicaciones donde el espacio era escaso (como espoletas , guía de misiles y sistemas de telemetría) y en computadoras de alta velocidad , donde las trazas cortas eran importantes. En la construcción con madera de cordón, los componentes con conductores axiales se montaban entre dos planos paralelos. El nombre proviene de la forma en que los componentes con conductores axiales (condensadores, resistencias, bobinas y diodos) se apilan en filas y columnas paralelas, como una pila de leña. Los componentes se soldaban entre sí con un cable puente o se conectaban a otros componentes mediante una delgada cinta de níquel soldada en ángulo recto sobre los conductores del componente. ^[35] Para evitar cortocircuitar diferentes capas de interconexión, se colocaban delgadas tarjetas aislantes entre ellas. Las perforaciones o agujeros en las tarjetas permitían que los conductores de los componentes se proyectaran a través de la siguiente capa de interconexión. Una desventaja de este sistema era que se debían usar componentes especiales con conductores de níquel para permitir que se hicieran soldaduras de interconexión confiables. La expansión térmica diferencial del componente podría ejercer presión sobre los cables de los componentes y las pistas de la PCB y causar daños mecánicos (como se vio en varios módulos del programa Apollo). Además, los componentes ubicados en el interior son difíciles de reemplazar. Algunas versiones de construcción con madera de pino utilizaban PCB de un solo lado soldadas como método de interconexión (como se muestra en la imagen), lo que permitía el uso de componentes con cables normales a costa de que fuera difícil retirar las placas o reemplazar cualquier componente que no estuviera en el borde.

Antes de la llegada de los circuitos integrados , este método permitía la mayor densidad de empaquetamiento de componentes posible; por este motivo, fue utilizado por varios proveedores de computadoras, entre ellos Control Data Corporation .

Las placas de circuitos impresos se han utilizado como una alternativa a su uso típico para la ingeniería electrónica y biomédica gracias a la versatilidad de sus capas, especialmente la capa de cobre. Las capas de PCB se han utilizado para fabricar sensores, como sensores de presión capacitivos y acelerómetros, actuadores como microválvulas y microcalentadores, así como plataformas de sensores y actuadores para Lab-on-a-chip (LoC), por ejemplo para realizar la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), y celdas de combustible, por nombrar algunos. ^[36]

Los fabricantes pueden no ofrecer reparaciones a nivel de componentes de placas de circuitos impresos debido al costo relativamente bajo de reemplazo en comparación con el tiempo y el costo de la resolución de problemas a nivel de componentes. En la reparación a nivel de placa, el técnico identifica la placa (PCA) en la que reside la falla y la reemplaza. Este cambio es económicamente eficiente desde el punto de vista de un fabricante, pero también es materialmente derrochador, ya que una placa de circuito con cientos de componentes funcionales puede descartarse y reemplazarse debido a la falla de una pieza menor y económica, como una resistencia o un capacitor. Esta práctica contribuye significativamente al problema de los desechos electrónicos . ^[37]

En muchos países (incluidos todos los participantes del Mercado Único Europeo , ^[38] el Reino Unido , ^[39] Turquía y China ), la legislación restringe el uso de plomo , cadmio y mercurio en equipos eléctricos. Por lo tanto, los PCB vendidos en dichos países deben utilizar procesos de fabricación sin plomo y soldadura sin plomo, y los componentes adjuntos deben ser ellos mismos compatibles. ^{[40] [41]}

La norma de seguridad UL 796 cubre los requisitos de seguridad de los componentes para placas de circuito impreso que se utilizan como componentes en dispositivos o aparatos. Las pruebas analizan características como la inflamabilidad, la temperatura máxima de funcionamiento , la trayectoria eléctrica, la deflexión térmica y el soporte directo de piezas eléctricas activas.

• Tablero de circuitos
• BT-Epoxy : resina utilizada en PCB
• Diseñador de interconexiones certificado : calificación para diseñadores de PCB
• Proceso Occam : método de fabricación de placas de circuito sin soldadura

• Tavernier, Karel (septiembre de 2015). "Datos de fabricación de PCB: transferencia de datos del diseño a la fabricación" (PDF) . V6. Archivado (PDF) del original el 8 de marzo de 2022. Consultado el 9 de mayo de 2022 .
• Colotti, James (2022). "Consideraciones analógicas, de RF y de EMC en el diseño de placas de circuito impreso (PWB)" (PDF) . Revisión 5. IEEE , Sección de Long Island. Archivado (PDF) del original el 8 de mayo de 2022. Consultado el 9 de mayo de 2022 .

• Medios relacionados con Placas de circuito impreso en Wikimedia Commons