Pruebas y verificación 20




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1.Introducción




Este trabajo trata sobre el proceso de fabricación de los circuitos impresos o PCB’s.
En el apartado “Descripción del proceso de fabricación” se ofrece una visión general del proceso de fabricación de los PCB’s, desde el diseño de los propios circuitos en un ordenador hasta el montaje y pruebas de todos los componentes sobre el circuito. Se muestran técnicas y ejemplos propios tanto de la fabricación industrial como de la fabricación casera de PCB’s. No se trata de establecer una comparativa, sino de mostrar como la fabricación de este tipo de dispositivos es compleja y poder así ver el beneficio que se obtiene automatizando el proceso.
En el siguiente apartado “Automatización del Proceso” se pretende dar una visión de un caso de estudio concreto sobre la fabricación de una placa base en un entorno automatizado.
En el ultimo apartado “Conclusiones” se darán una serie de razones por las que es beneficiosa la automatización de este proceso de fabricación.

2.Qué es un circuito impreso




Los Circuitos impresos o PCB (Printed Circuit Board) consisten en unas placas de sustrato no conductor que se emplean para el montaje e interconexión de componentes electrónicos a través de rutas o pistas de un material conductor grabadas sobre el sustrato.
Mete un poco de historia y cuando acabes de eso, habla sobre lo que son concretamente las placas base, especificando que se va a hablar de ellas ya que es de lo que trata nuestro caso de estudio.

3.Descripción del proceso de fabricación



3.1.Diseño
A la hora de construir un circuito impreso, lo primero que se debe hacer dibujar el diseño original del circuito impreso tal como queremos que quede terminado. Este proceso se puede hacer a mano -en un papel con un lápiz y una regla- o utilizando un programa de diseño de circuitos impresos (Fig. 3.1). Este tipo de herramientas recibe el nombre de herramientas CAD (Computer Aided Design o Diseño Asistido por Computador) y, como es de suponer, es la opción más recomendable. Existen multitud de programas que, de una forma u otra, pueden satisfacer nuestras necesidades (ver Tabla 3 .1 Programas para el diseño de circuitos impresos).


Fig. 3.1 Screenshot de FreePCB

Programas para el diseño de circuitos impresos y simulación de esquemáticos1:

OrCAD.

FreePCB - Herramienta libre y gratuita para Windows, disponible bajo licencia GPL.

PCB – Herramienta libre para X11.

gEDA – Familia de herramientas EDA, disponibles bajo licencia GPL.

Kicad – GPL PCB suite. Herramienta libre disponible bajo licencia GPL.
EAGLE – Herramienta comercial, existe una versión gratis para amateurs (con limitaciones en el tamaño de la tarjeta)

Cadstar – Completa herramienta comercial para el desarrollo de PCBs

Cadstar Express – Herramienta de diseño gratis.

Altium Designer – Sistema de desarrollo completo.

Zuken – Software de diseño.

[1]; New Wave Concepts.

Fresadora de pcb – para la realización de prototipos de circuito impreso.

http://www.diptrace.com - Software gratuito (versión freeware) y de muy fácil uso para la creación de circuitos impresos.

CircuitPeople - visor para archivos Gerber, sin costo

Tabla 3.1 Programas para el diseño de circuitos impresos
3.1.1. Diseño asistido por computador
El diseño asistido por computador también conocido como CAD (Computer Aided Design), consiste en el uso de una gran variedad de herramientas computacionales que asisten a ingenieros, arquitectos y a otros profesionales del diseño en sus respectivas actividades. También se le puede denominar CADD (Computer Aided Drafting and Design) refiriéndose al dibujo y diseño asistido por computador. Además el CAD es utilizado en el ámbito de procesos de administración del ciclo de vida de productos (Product Lifecycle Management).
Este conjunto de herramientas se pueden dividir básicamente en programas de dibujo en dos dimensiones (2D) y modeladores en tres dimensiones (3D):

  • Las herramientas de dibujo en 2D: estas herramientas se basan en entidades geométricas vectoriales como puntos, líneas, arcos y polígonos, con las que se puede operar a través de una interfaz gráfica.




  • Los modelados en 3D: estos diseños añaden superficies y sólidos. Estos diseños dan una clara imagen del producto, llegando a ser prototipos de objetos ficticios que aun no se han desarrollado y mediante dicho modelado se pueden explorar en 3D con tantos detalles como le proporcione su diseñador. De esta manera se pueden producir previsualizaciones fotorealistas del producto, pero a veces se prefiere exportar los modelos a programas especializados en visualización y animación, como Maya, Softimage XSI o 3D Studio Max.

Con el empleo de herramientas 3D el usuario puede asociar a cada entidad una serie de propiedades (color, usuario, capa, estilo de línea, nombre, definición geométrica, etc.) que permiten manejar la información de forma lógica. Además pueden asociarse a las entidades o conjuntos de éstas otro tipo de propiedades (material, textura, etc.) que permiten enlazar el CAD a los sistemas de gestión y producción.
De estos modelados pueden obtenerse planos con cotas, anotaciones e información muy útil para generar la documentación técnica específica para cada proyecto.
((Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Dise%C3%B1o_asistido_por_computador))
Las principales herramientas de CAD se utilizan actualmente en la industria para el diseño y la verificación de circuitos integrados.
Además, para el diseño de los circuitos se utiliza una gran variedad de métodos. Los métodos más utilizados para el diseño de circuitos analógicos son:

  • Métodos de diagnóstico para circuitos no lineales analógicos.

  • Simulación de circuitos.

  • Simulación de frecuencia de dominio no lineal.

  • Análisis simbólico en planos para circuitos lineales.

  • Automatización de diseño de circuitos analógicos.

  • Síntesis automática.

  • Generación del Layout.

  • Optimización y centramiento del diseño de circuitos electrónicos.

  • Métodos de diagnóstico y prueba de circuitos digitales.


3.1.2. Normas para el diseño de circuitos impresos
Las normas del IPC son una herramienta imprescindible para adoptar rápidamente prácticas de diseño y fabricación de electrónica de alta calidad ahorrando años de pruebas y errores. Proporcionan criterios relevantes a la hora de evaluar la calidad de los circuitos electrónicos de los proveedores y al aplicarlas proporcionan un nivel de calidad comparable al de los países líderes de la industria electrónica, sin con ello aumentar nuestros costos.
Las normas se pueden conseguir a través del sitio web del IPC (www.ipc.org). En dicha dirección algunos estándares son gratuitos, pudiéndose descargar del mismo sitio.
Con la aplicación de las leyes se consiguen beneficios como:

• Conocimiento y criterios técnicos validados ampliamente por la experiencia.

• Facilitar el desarrollo dentro de "lo normal", asegurando la compatibilidad con un enorme universo de procesos y materiales.

• Proporciona a todos los desarrolladores de la industria electrónica un lenguaje común para describir atributos de calidad en el diseño y fabricación de circuitos electrónicos.

Estándares IPC

En muy amplio el universo de conocimiento y criterios, tanto de manufactura como de diseño electrónico, que proporcionan los estándares IPC. Por ello, solo se van a presentar algunos ejemplos ilustrativos:

• El estándar IPC-2221 (Generic Standard on Printed Board Design): permite determinar el ancho de una pista para una corriente deseada, según el espesor del cobre, la temperatura de operación, el material del sustrato y si se trata de pistas ocultas o de superficie con y sin máscara antisoldante.

• En las normas IPC-2221 e IPC-SM-782 (Surface Mount Design and Land Pattern Standard) se puede saber como la orientación y ubicación que lleven los circuitos integrados DIP en su tarjeta influye en el índice de soldaduras defectuosas, o como el tamaño y posición incorrecto de los pads para montar un componente de montaje superficial (SMT) puede ocasionar serios problemas a cualquier línea de armado SMT del mundo.

• Entre los estándares IPC también están los de "aceptabilidad". Como el IPC-A-610, "Acepta-bilidad de Ensambles Electrónicos" (disponible en español). Este estándar muestra, con fotografías en colores y textos explicativos, qué se considera universalmente como "lo ideal", "lo aceptable" y "lo defectuoso" en la industria del ensamblado de componentes electrónicos y otros elementos. Esta norma proporciona además consejos y buenas prácticas para evitar errores en el armado y lograr ensambles electrónicos fiables, verificables y robustos.
3.1.3. Caso de estudio: xxx

xxxx
3.2.Fabricación
Los circuitos impresos están compuestos de una o varias capas conductoras, que se encuentran separadas y soportadas por capas de material aislante, al que se le conoce como sustrato. En los circuitos impresos multicapas las distintas capas se comunican a través de orificios llamados vías. Estas vías deben conducir las señales eléctricas entre las distintas capas del circuito y pueden ser de varios tipos: vías ciegas, las cuales solo pueden verse en un lado del circuito, o vías enterradas, las cuales no son visibles desde el exterior del circuito.
En este apartado se pretende mostrar los distintos pasos por los que pasa la fabricación de los circuitos impresos, sin entrar en detalles sobre el proceso de fabricación automatizado, ya que este se vera posteriormente en otro apartado.
3.2.1. Características de los sustratos
Los sustratos de los circuitos impresos mas utilizados en la electrónica de consumo de bajo coste se hacen de papel impregnados de resina fenólica (Pertinax) (Fig. 3.2). Este tipo de sustratos son de peor calidad, pero suponen un coste menor y ofrecen menos resistencia a la perforación.


Fig. 3.2 Placa virgen de bajo coste lijada y lista para tratar
Los sustratos para los circuitos impresos utilizados en la electrónica industrial y de consumo de alto coste, están fabricados en un material de fibra de vidrio impregnado con una resina epoxica resistente a las llamas. Este material esta designado como FR-4. Estos sustratos requieren de herramientas especiales de perforación, debido al contenido de vidrio abrasivo, compuestas de carburo de tungsteno. Este sustrato es mucho mas resistente que el Pertinax, aunque su coste es mas elevado.
Existen otros tipos de sustratos utilizados en otros medios, como por ejemplo en los circuitos de radio frecuencia de alta potencia o en los circuitos utilizados en el vacío o en gravedad cero. Este tipo de circuitos requieren otro tipo de sustratos distintos a los mencionados en el punto anterior debido a las funciones que desempeñan o a las características especiales de los medios donde se emplean. Por ejemplo, los circuitos empleados en el equipo electrónico en la industria aeroespacial se requieren de núcleos gruesos de cobre o aluminio que permitan disipar el calor, ya que no se puede realizar el enfriamiento por convección en el vacío.
Todos los mencionados anteriormente han sido sustratos rígidos, pero existen algunos tipos de sustratos diseñados para ser flexibles (Fig. 3.3). Este tipo de sustratos se utilizan en lugares donde el espacio es limitado, como puede ser una cámara digital o un audífono, o para conectar distintas partes rígidas de un mismo componente, como el cabezal móvil de una impresora de chorro de tinta.


Fig. 3.3 Circuitos flexibles
3.2.2. Impresión de Patrones
En la fabricación de circuitos impresos se parte siempre desde un circuito impreso virgen (Fig. 3.4). Este circuito virgen es una placa de sustrato recubierta de una capa de cobre sobre la que se imprimirá el patrón de conexiones. Existen varias técnicas para realizar esta tarea. Estas son: Impresión serigráfica, Fotograbado, Fresado e Impresión en material termosensible.


Fig. 3.4 Circuito impreso virgen


3.2.2.1. Impresión serigráfica



Con esta técnica se utilizan tintas especiales resistentes al grabado para marcar el patrón en la capa de cobre. La pintura se puede aplicar con plantillas o con un plotter especifico para PCB’s. Posteriormente se utilizan productos químicos para eliminar el cobre sobrante, no cubierto por la tinta.
También se pueden utilizar tintas conductoras sobre un sustrato no conductor imprimiendo directamente el patrón de conexiones sobre el sustrato. Esta técnica se emplea en la fabricación de circuitos híbridos.
Esta técnica es mas propia de la fabricación industrial de PCB’s que de la fabricación casera. A pesar de ello, se ha encontrado información sobre la modificación de impresoras para imprimir directamente sobre PCB’s vírgenes con tintas especiales (Fig. 3.5). En este proyecto, se utiliza una impresora Epson InkJet (modelos C84, C87, C88,…), ya que usa actuadores piezo-eléctricos en el cabezal de impresión permitiendo el uso de gran variedad de tintas. La tinta usada para este método es del fabricante MISTPRO, que dispone de tintas que secan rápido sobre el cobre y evita que se corran. El texto original que habla sobre este proyecto es propiedad de Stefan Trethan y el creador del proyecto original fue Volkan Sahin.


Fig. 3.5 Impresora modificada para imprimir sobre PCB's vírgenes


3.2.2.2. Fotograbado



Esta técnica utiliza una transparencia del patrón en negativo, para transferir el patrón a la placa utilizando luz UV (Ultravioleta). Este tipo de grabado requiere placas fotosensibles, placas que tienen la capa de cobre cubierta con una resina fotosensible, para que se transfiera la transparencia del patrón a la placa utilizando. En las zonas en las que la transparencia deje pasar la luz UV, la resina reaccionara con ella (Fig. 3.6). Tras un proceso de revelado, la resina desaparecerá de las zonas en las que haya incidido la luz UV dejando marcado sobre la placa el patrón del circuito. Posteriormente, se requerirá de un atacado químico para eliminar el cobre sobrante y dejar únicamente el circuito.



Fig. 3.6 Proceso de fotograbado
En la fabricación casera de PCB’s se utilizan insoladoras. Una insoladora es una caja que dispone de varios tubos fluorescentes de luz UV separados de la superficie por un cristal esmerilado. En este proceso se colocan las impresiones del patrón de conexiones hechas sobre papel transparente sobre el cristal de la insoladota y sobre este, la placa virgen fotosensible. La luz UV reaccionara con la resina fotosensible de la placa quedando marcado el patrón en la resina (Fig. 3.7). Tras un tiempo en la insoladota se deberá emplear un liquido revelador, sosa cáustica disuelta en agua, para dejar al descubierto el patrón transferido a la placa.


Fig. 3.7 izquierda, transparencias sobre la insoladora. Derecha, placa revelada

3.2.2.3. Fresado



En el fresado de circuitos se utiliza una fresa mecánica de 2 o 3 ejes, controlada por un programa informático que guía el cabezal para eliminar el cobre del circuito.
Esta es la técnica mas empleada en el sector industrial. Existen fresadoras especificas para circuitos impresos, incluso para circuitos multicapa. Un ejemplo de este tipo de fresadoras especificas es la LPKF ProtoMat S100 (Fig. 3.8).


Fig. 3.8 Fresadora especifica para circuitos impresos LPKF ProtoMat S100
Video de funcionamiento de una fresadora eléctrica: http://www.youtube.com/watch?v=4YD4hx-Iyno

3.2.2.4. Impresión en material termosensible



Esta técnica consiste en aplicar calor para transferir el patrón desde un material termosensible a la placa virgen. Esta técnica es similar a la impresión serigráfica ya que ambas marcan con tinta el patrón de conexiones en la placa virgen aunque el método para hacerlo es diferente. Mientras que en la impresión serigráfica se “pinta” directamente sobre la placa virgen, con este método se transfiere la tinta desde un medio a otro.
Esta es una de las técnicas de fabricación casera de PCB’s mas usadas. Consiste en transferir una impresión en negativo del circuito, impreso sobre papel termosensible, a la placa,. La idea es transferir el toner a la placa virgen utilizando calor (Fig. 3.9), con una plancha por ejemplo, y posteriormente eliminar el papel una vez se haya fijado el toner a la placa. Después, será necesario eliminar el cobre que no este cubierto por el toner, que será el material sobrante, por medio de un atacado químico que se vera mas adelante.
Hace tiempo, en los circuitos caseros se empleaban rotuladores de tinta indeleble para dibujar a mano el circuito directamente sobre el cobre de la placa virgen. Se ha podido observar que aun se sigue utilizando el rotulador de tinta indeleble para repasar zonas donde la transferencia del toner no ha sido completa o ha quedado mal definida.


Fig. 3.9 Tinta toner transferida a una placa virgen
3.2.3. Atacado químico
Todas las técnicas mencionadas anteriormente para la impresión de patrones, excepto el fresado, requieren de un atacado químico para eliminar el cobre sobrante (Fig. 3.10). Para ello se utilizan ácidos o corrosivo como el Percloruro Férrico, el Sulfuro de Amonio, el Acido Clorhídrico mezclado con Agua y el Peroxido de Hidrogeno.


Fig. 3.10 El cobre no cubierto por la tinta se elimina con un baño de Percloruro Ferrico
Para terminar con el atacado químico será necesario limpiar la tinta, o la resina en el caso del fotograbado, con un disolvente, dejando al descubierto el cobre que define el circuito.
3.2.4. Perforado
Una vez impreso el patrón en el circuito, será necesario realizar las perforaciones en los lugares indicados, tanto para el montaje de componentes como para la comunicación entre las distintas capas de un circuito impreso multicapa. Como se ha mencionado antes, para los circuitos impresos de alta calidad, con sustratos como el FR-4, se necesitan brocas resistentes de carburo de tungsteno para poder realizar una correcta perforación.
Durante la perforación, se debe tener especial cuidado en que los orificios queden centrados en los pads (Fig. 3.11), puntos de soldadura de los componentes, y sean del tamaño correcto para que se pueda realizar correctamente la conexión entre la vía y el componente electrónico que se vaya a montar en dicho pad.


Fig. 3.11 Pads perforados
En la fabricación industrial de circuitos integrados se utilizan comúnmente taladros guiados por computador y taladros láser para realizar microvias entre capas de un circuito multicapa. Un ejemplo de este tipo de taladros es la Hitachi ND-6L210E TOKU (Fig. 3.12). Estas maquinas son capaces de realizar perforaciones en 10 placas al mismo tiempo, con una precisión de ±0.020mm, utilizando taladros con brocas que se intercambian automáticamente, ya que estas se desgastan y además no todas las perforaciones realizadas tienen la misma anchura.



Fig. 3.12 Perforadora Hitachi ND-6L210E
3.2.5. Protección del circuito
Muchos fabricantes y particulares utilizan lacas o barnices protectores para sus PCB’s que les dan una mayor durabilidad y resistencia, y protegen los circuitos de cobre. Estos productos protegen la placa de la humedad, ácidos, sales, oxido, corrosión… y pueden evitar pequeñas fugas de tensión o efectos de corona o de arco entre conexiones.
Un ejemplo de este tipo de productos es KONTAKT CHEMIE Flux SK 10, que es una solución tipo laca en base a resinas naturales sin aditivos. Esta laca se utiliza para proteger los metales blandos (como el cobre) de la corrosión. además, no es necesario eliminarlo para soldar sobre el.
3.2.6. Máscara antisoldante
Las zonas de montaje de componentes y los pads suelen metalizarse para facilitar el soldado de los componentes, debido a que el cobre no se puede soldar fácilmente. Para evitar problemas de cortocircuitos entre los distintos componentes, o entre las patas de un mismo componente, las zonas que no se deben soldar son recubiertas por un polímetro resistente a la soldadura, mascara antisoldante. Esta mascara es la que le da el color final a los distintos tipos de PCB (Fig. 3.13).


Fig. 3.13 PCB's con mascara antisoldante aplicada
3.2.7. Serigrafía
Muchos fabricantes imprimen dibujos y texto sobre los PCB’s para identificar componentes o conexiones o para incluir información sobre las características de la tarjeta, como pueden ser el fabricante, modelo, logotipo de la empresa,… Los dibujos y texto se pueden imprimir en las superficies exteriores de un circuito impreso, sobre el sustrato y no sobre las conexiones de cobre, a través de la serigrafía o también por impresión digital por chorro de tinta.
3.2.8. Pasta de Soldadura
En los entornos automatizados que requieren de la utilización de componentes cuyo montaje es del tipo superficial (explicado en el siguiente punto) se utiliza una plantilla perforada para esparcir una pasta de soldadura en los lugares de montaje de los componentes electrónicos y sus conexiones para que tras su montaje queden firmemente fijados y conectados en los lugares que les corresponden (Fig. 3.14). Esta pasta se compone de una aleación mayoritariamente de estaño microgranulado, formando esferas que pueden ir de los 20 mm a los 75 mm de diámetro.


Fig. 3.14 Pasta de soldadura aplicada a la zona de montaje de componentes
3.2.9. Montaje
Existen dos técnicas para el montaje de los componentes: el montaje “Through Hole” y el montaje superficial. Cada una de estas técnicas de montaje utiliza componentes distintos diseñados para un tipo de montaje especifico.
El montaje “Through Hole” (Fig. 3.15) consiste en montar los componentes introduciendo sus pines a través de los pads y fijarlos eléctrica y mecánicamente al circuito con soldadura.


Fig. 3.15 Componentes Through Hole
La técnica de montaje superficial es la mas utilizada actualmente en los entornos de fabricación automatizados. Esta técnica permite el montaje de los componentes electrónicos sobre la superficie del circuito, y no a través de el como en el montaje “Through Hole”. además, permite el uso de componentes mucho mas pequeños y baratos, debido a que no poseen pines o si los tienen son muy pequeños. A este tipo de componentes se los denomina componentes SMD (Sourface Mountage Devices) (Fig. 3.16). El montaje superficial se utiliza casi exclusivamente en los entornos de fabricación automatizados ya que debido al reducido tamaño de los componentes es necesario el uso de un robot para colocar los componentes de forma correcta. Como se ha indicado anteriormente, para este tipo de componentes es necesario esparcir previamente una pasta de soldadura para que estos queden fijados y conectados al circuito.


Fig. 3.16 Componentes SMD
3.2.10. Soldadura de los componentes
El montaje de componentes Through Hole necesita que estos sean soldados y fijados a la placa con soldadura. En los entornos automatizados de fabricación se utilizan una técnica de soldado automatizado llamado wave soldering, que sera explicado mas adelante, y que requiere el uso de maquinas especializadas para su realizacion. La soldadura empleada generalmenete es una aleacion de estaño/plomo.
El montaje casero de PCB’s, al no ser tan complejo como el anterior solo requiere de un estañador (Fig. 3.17) y una bobina de estaño para realizar la soldadura de los componentes Through Hole.


Fig. 3.17 Estañador
3.3. Pruebas y verificación
Durante el proceso de fabricación pueden ocurrir fallos o defectos en la fabricación, como pueden ser un fallo en la impresión del patrón (Fig. 3.18) o en la soldadura, que causen que el circuito impreso no funcione como debería.


Fig. 3.18 Fallos en el patrón de conexiones. De izquierda a derecha: Cortocircuito y Circuito Abierto


Para realizar comprobaciones sobre el circuito, en el proceso automatizado de fabricación se utilizan complejos sistemas de pruebas entre los que se incluyen mesas de testing, Benchmarks, … Estos sistemas de pruebas se verán en mayor profundidad mas adelante.

En los circuitos mas simples, una comprobación a simple vista suele ser el método mas rápido y sencillo para comprobar si hay algún tipo de fallo sobre el circuito en alguna de sus pistas.
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