2. Circuitos Impresos (PCB)

Transcripción

1 2. Circuitos Impresos (PCB) 2.1. Generalidades Tipos de PCB Tecnologías de montaje 2.2. Diseño de PCB s 2.3. Materiales 2.4. Proceso de fabricación 2.5. Minimización de costes 2.6. Tratamiento de residuos Generalidades Los circuitos impresos (PCB: Printed Circuit Board) son los dispositivos que posibilitan las conexiones entre distintos componentes electrónicos que conformarán un sistema electrónico. Cada día son más complejos. PWC: Printed Wiring Board. Es el PCB sin componentes. 1

2 Generalidades. Partes en un PCB Substrato. Normalmente un material compuesto de resina epoxy y fibra óptica. Es el material base para situar las pistas de conexión y los componentes. Pistas de cobre. Patrón de conductor. Son el corazón del PCB. Componentes. Soldados a las pistas por medio de material de soldadura (mezcla de Pb y Sn) en los pads (puntos de conexión a las pistas) Componentes retirables. Se utiliza un zócalo soldado. Generalidades. Partes en un PCB Borde de conexión: se sitúan pads en un borde que se insertará en un conector ( slot ) a otro PCB Máscara de soldadura. Es lo que le da color (verde o marrón). - Da protección a las pistas para que no se oxiden. - Deja libre los pads donde se conectarán los componentes Leyenda. Etiquetas y símbolos (blanco) de los lugares de los componentes. 2

3 2. Circuitos Impresos (PCB) 2.1. Generalidades Tipos de PCB Tecnologías de montaje 2.2. Diseño de PCB s 2.3. Materiales 2.4. Proceso de fabricación 2.5. Minimización de costes 2.6. Tratamiento de residuos Generalidades. Tipos de PCB s Single sided: - El patrón conductor esta en una cara - Limitaciones en el enrutamiento de pistas - Se habla de solder side y component side Double sided: - Patrón conductor en los dos lados - Es necesario el uso de vías - Doble de superficie para conductor - Las pistas se pueden cruzar Multicapa: - Hasta 100 capas, normalmente entre Vias - Ciegas o enterradas - Atraviesan todas las capas - Planos de masa y tensión(es) de alimentación. 3

4 Generalidades. Tipos de PCB s Circuitos flexibles: - El substrato está fabricado en poliester, poliamida, fluorocarbonos, Nylon, y composites de estos. - Uso principal en dispositivos electrónicos domésticos ( consumer electronics ). 2. Circuitos Impresos (PCB) 2.1. Generalidades Tipos de PCB Tecnologías de montaje 2.2. Diseño de PCB s 2.3. Materiales 2.4. Proceso de fabricación 2.5. Minimización de costes 2.6. Tratamiento de residuos 4

5 Generalidades. Tecnologías de montaje Through Hole Technology (THT): Los componentes se montan a un lado de la placa y las soldaduras se establecen al otro lado (component side, solder side) - Necesidad de gran cantidad de espacio (componentes grandes). - Un agujero por cada pata. - Puntos de conexión muy grandes. - Los componentes THT están bien conectados mecánicamente. Sólo se usa para circuitos muy simples. Generalidades. Tecnologías de montaje Surface Mount Technology (SMT): Los componentes se sueldan en el mismo lado que son montados. - Mayor complejidad que los THT - Componentes pequeños: necesidad de menos espacio -> Circuitos más densos - Componentes más baratos - No necesitamos agujeros para cada pata. - Los componentes pueden ser montados a los dos lados de la placa. 5

6 2. Circuitos Impresos (PCB) 2.1. Generalidades Tipos de PCB Tecnologías 2.2. Diseño de PCB s 2.3. Materiales 2.4. Proceso de fabricación 2.5. Minimización de costes 2.6. Tratamiento de residuos Diseño de PCB s. Pasos Especificación del sistema Diagrama de bloques División del sitema en PCB s independientes Esquema de la circuitería de cada PCB Simulación del diseño Posicionamiento de los componentes Testeo de la rutabilidad y funcionalidad Enrutado de los PCB s Testeo del circuito enrutado Creación de ficheros de fabricación Compatibilidad electromagnética EMC 6

7 Diseño de PCB s. Especificación del sistema. Determinación de: - Todas las funciones del sistema - Límites de coste - Tamaño - Condiciones de operación Diagrama de bloques del sistema. Dividimos el sistema global en bloques independientes: - Funcionalidad de cada bloque - Interfaz de estos bloques con el exterior Diseño de PCB s. División del sistema en PCB s independientes. Conseguimos: - Reducción del tamaño - Actualización Determinación de la tecnología empleada. En función de: - Velocidad - Espacio disponible - Coste - Cantidad de circuitería Se establece la tecnología a utilizar y si es necesario se rehace la partición en bloques independientes 7

8 Diseño de PCB s. Esquema de la circuitería del PCB. Especificaremos mediante ECAD los componentes y sus conexiones en el PCB. No existe relación con la posición real final que tendrán los componentes en el PCB Diseño de PCB s. Simulación del diseño. El diseño anterior lo simularemos con aplicaciones de ordenador. De esta forma comprobaremos el funcionamiento teórico a partir del diseño. Posicionamiento de componentes. Deben ser situados: - para que el conexionado posterior mediante pistas sea el más eficiente. - para que el proceso de fabricación sea lo más simple (más barato) posible. Reglas: - Orientaciones ortogonales - Comp. Polarizados con misma orientación (diodos) 8

9 Diseño de PCB s. Testeo de la rutabilidad y funcionalidad. Objetivos: - La posición de los componentes permitirán un enrutado óptimo? - El circuito mantendrá su funcionalidad a altas frecuencias? Enrutado de los PCB s. Creación del diseño del patrón conductor (enrutado de las pistas). Para cada diseño se especifican (reglas): - Mínimas distancias entre pistas (efecto capacitivo) - Mínima anchura de pistas (efecto resistivo) - Propiedades físicas del conductor Diseño de PCB s. Enrutado de los PCB s (cont.). Las reglas anteriores dependen de: - frecuencia de funcionamiento - potencia de las señales a transmitir - sensibilidad del circuito a corrientes de fuga y ruido (EMC) - calidad de los materiales y equipo de fabricación Normalmente: - reducción al mínimo número de capas - Planos de masa y tensión de alimentación (sirven para apantallar: EMC) - Señales importantes (CLK) se enrutan a mano y se fijan de antemano al enrutado del resto. 9

10 Diseño de PCB s. Enrutado de los PCB s (cont.). Enrutado de PCB con herramientas CAD Diseño de PCB s. Testeo del circuito enrutado. Se hace un test para comprobar que el enrutado y las conexiones se hacen según el esquema. Creación de ficheros de fabricación. Estándares para fabricante (Gerber Files, p.ej.): - Ficheros para capas de señal - Capas de masa y tensión de alimentación - Máscara de soldadura - Leyenda - Taladrado - Pick-and-place files. Estos ficheros son la entrada a las máquinas que fabricarán el PCB y se completa el proceso CAD-CAM. 10

11 Diseño de PCB s. Compatibilidad electromagnética EMC. EMC limita los límites de : EMI. Interferencias electromagnéticas EMF. Campos electromagnéticos RFI. Interferencias de radiofrecuencia Objetivo: asegurar el funcionamiento correcto de todos los componentes y dispositivos en cualquier condición de funcionamiento. Formas de actuar: - Limitar la reducción radiactiva o conductiva - Reducción de la susceptibilidad a fuentes externas Diseño de PCB s. Compatibilidad electromagnética EMC (cont.). Técnicas: - Planos de masa y tensión de alimentación - PCB s dentro de una caja metálica Consideraciones: - La EMI interna (corrientes de fuga) aumenta al aumentar la frecuencia. - La distancia entre pistas y conectores debe aumentar al aumentar la ddp - Intentar alimentar con la mínima tensión - La latencia de pistas provoca que se busque minimizar sus longitudes. 11

12 2. Circuitos Impresos (PCB) 2.1. Generalidades Tipos de PCB Tecnologías 2.2. Diseño de PCB s 2.3. Materiales 2.4. Proceso de fabricación 2.5. Minimización de costes 2.6. Tratamiento de residuos Materiales para PCB s. Resinas Fibra de vidrio Láminas de cobre Tela de fibra de vidrio Montaje (lamination) Cuerpos de Las multicapas Fabricación del PCB 12

13 Materiales para PCB s. Fibra de vidrio. Confiere la resistencia mecánica al PCB SiO 2 (l) Tejido Enfriamiento Tracción Almacenamiento Materiales para PCB s. Resinas Epoxy. Es el aglutinante para el composite formado por resina y fibra de vidrio. Endurecedor Resina Epoxy bivalente Curado (P,T) 13

14 Materiales para PCB s. Resinas Epoxy. Las propiedades que debe tener el substrato son: resistencia mecánica, baja constante dieléctrica (cuanto menor sea, menor es el efecto capacitivo) Resinas Politetrafluoroetileno Teflón dr* 4,0 3,0 2,0 Caract. mecánicas Buena resistencia mecánica Baja resistencia mecánica Frágil * Cte dieléctrica relativa respecto del aire Todos los materiales utilizados, como vemos se basan en moléculas no polares. También se puede buscar altas dr para aumentar el efecto capacitivo, por ejemplo entre capas de masa y tensión, para desacoplar el PCB de la fuente. Materiales para PCB s. Lámina de cobre. Se deposita polvo de cobre para formar una fina lámina sobre un tambor de Ti que gira. Los espesores son del orden de 10-3 µm, este espesor depende del propósito de la capa: señal o tensión de alimentación (incluido masa). Prepreg. Mezcla de tela de fibra de vidrio y resina epoxy semicurada. Se crea para pegar las láminas de cobre y después terminar con el curado de forma que queden definitivamente unidas al substrato. 14

15 Materiales para PCB s. Fotolito. - Material fotosensible que nos sirve para crear el patrón conductor. - Cambia sus propiedades al ser atacado por la luz. Se usa Luz UV, que es más energética. - Es ácido, la solución que lo retire debe ser alcalina. - Supondremos que la parte no atacada por la luz es la que representa el patrón conductor Solución reveladora. - Hace desaparecer el fotolito atacado por la luz - Solución alcalina (de Na 2 CO 3 o K 2 CO 3 ) Materiales para PCB s. Láminas de Cu Prepreg P, T Preparada para hacer la máscara de conducción 15

16 Materiales para PCB s. Fotolito (material fotosensible) Luz UV Etching Revelado Stripping Luz UV Materiales para PCB s. Disolventes para el cobre (Etching). - Deben tener propiedades ácidas - Solución acuosa de FeCl 3 o CuCl 2 - También se usa una solución de H 2 SO 4 + H 2 O 2. Solución para el desvestido (Stripping). - Soluciones alcalinas orgánicas, capaces de atacar el fotolito no atacado por la luz. - El elemento activo es el radical OH - - Son soluciones de: - Colina. Muy activa pero cara - Monoetanolamina (MEA). Más barata y menos activa. Normalmente se usa una solución que contiene las dos Materiales de soldadura (Soldante). - Suele ser una mezla de 60% Pb y 40% Sn. - Temperatura de fusión 180ºC 16