Proceso de fabricación de PCB - Guía completa

Comprender el proceso de fabricación de PCB

Esenciales para los principales dispositivos electrónicos, las placas de circuito impreso (PCB) se encuentran en toda una serie de productos digitales, incluidos artículos sencillos como relojes, calculadoras y similares. Para los que no estén familiarizados, las PCB controlan las señales eléctricas dentro de los productos electrónicos para satisfacer las necesidades de los circuitos eléctricos y mecánicos del dispositivo. En pocas palabras, las placas de circuito impreso dictan la dirección de la electricidad y dan vida a los dispositivos electrónicos.

Los PCB gestionan la corriente eléctrica a través de su superficie mediante una red de rutas de cobre. La intrincada matriz de vías de cobre caracteriza la función específica de cada sección de la placa de circuito impreso.

Antes de la fase de diseño de la placa de circuito impreso, se aconseja a los diseñadores de circuitos que visiten una tienda de placas de circuito impreso y consulten cara a cara con los fabricantes sus necesidades de producción de placas de circuito impreso. Este enfoque puede eliminar posibles errores innecesarios en la fase de diseño. Sin embargo, como la mayoría de las empresas deslocalizan sus consultas sobre producción de PCB a proveedores internacionales, este enfoque resulta poco práctico. Por ello, le presentamos este artículo para que comprenda adecuadamente los pasos necesarios para Fabricación de placas de circuito impreso. Esperamos que ofrezca a los diseñadores de circuitos y a los recién llegados a la industria de las placas de circuito impreso una perspectiva transparente de cómo se fabrican las placas de circuito impreso y les ayude a evitar errores innecesarios.

Procedimientos implicados en la fabricación de PCB

Paso 1: Plano y resultados

Los diseños de PCB, planificados por el diseñador utilizando software de diseño de PCB, deben ser estrictamente compatibles con las placas de circuito. Altium Designer, OrCAD, Pads, KiCad, Eagle, etc. son los programas de diseño de PCB más utilizados. NOTA: Antes de la producción de placas de circuito impreso, los diseñadores deben notificar al fabricante contratado la versión del software de diseño de placas de circuito impreso utilizada para crear el circuito, ya que ayuda a mitigar los problemas causados por las incoherencias.

Tras la aprobación del diseño de PCB para producción, los diseñadores transmutan el diseño a un formato avalado por sus fabricantes. El programa más utilizado es el extendido Gerber. La campaña publicitaria de alimentos para bebés de los años 80 buscaba bebés atractivos, y este programa genera una progenie de diseño elocuente. Gerber también se conoce como IX274X.

Gerber extendido se ha convertido en el formato de salida óptimo en la industria de las placas de circuito impreso. Los distintos programas de diseño de PCB pueden requerir diferentes pasos de generación de archivos Gerber, pero todos codifican información fundamental, como capas de seguimiento de cobre, dibujo de taladros, aperturas, anotaciones de componentes y otros ajustes. En esta fase se inspeccionan todos los elementos del diseño de PCB. El software aplica algoritmos de supervisión al diseño para garantizar que ningún error pase desapercibido. Los diseñadores también examinan el diseño teniendo en cuenta elementos relacionados con la anchura de las pistas, la separación de los bordes de la placa, la separación entre trazas y orificios, y el tamaño de los orificios.

Tras un riguroso examen, los diseñadores entregan el archivo de PCB a las fábricas de circuitos impresos para su producción. Para garantizar que el diseño cumple los requisitos de tolerancias mínimas durante el proceso de producción, casi todas las fábricas de placas de circuito impreso realizan una comprobación del diseño para la fabricación (DFM) antes de fabricar las placas de circuito.

Paso 2: Transformar el archivo en película

La impresión de placas de circuito impreso comienza una vez que los diseñadores generan los archivos esquemáticos de las placas y los fabricantes realizan una comprobación DFM. Los fabricantes emplean una impresora única llamada plóter para crear películas fotográficas de las placas de circuito impreso, que luego se utilizan para imprimirlas. Aunque técnicamente es una impresora láser, no es una impresora de chorro láser estándar. Los plotters utilizan una tecnología de impresión extraordinariamente precisa para crear una película muy detallada del diseño de la placa de circuito impreso.

El resultado final es una lámina de plástico con un negativo fotográfico de la placa de circuito impreso en tinta negra. Para las capas internas de la placa de circuito impreso, la tinta negra representa las secciones de cobre conductoras de la placa. La parte clara restante de la imagen representa las zonas de material no conductor. Las capas externas siguen la disposición inversa: el color claro representa el cobre, mientras que el negro caracteriza la zona que se va a grabar. El plóter revela automáticamente la película, que se guarda de forma segura para evitar cualquier contacto accidental.

Cada capa de la placa de circuito impreso y la máscara de soldadura tiene su propia lámina transparente y negra. En resumen, una placa de circuito impreso de dos capas requiere cuatro láminas: dos para las capas y dos para la máscara de soldadura. Es importante que todas las láminas coincidan perfectamente entre sí. Si se utilizan juntas, trazan la alineación de la placa de circuito impreso.

Para garantizar una alineación impecable de todas las películas, deben perforarse orificios de registro en todas ellas. La precisión del orificio se consigue ajustando la mesa sobre la que descansa la película. Una vez que los minuciosos ajustes de la mesa conducen a una coincidencia ideal, se perfora el orificio. Los orificios se alinearán con las clavijas de registro en el siguiente paso del proceso de creación de imágenes.

Paso 3: Impresión de las capas interiores: ¿Dónde debe ir el cobre?

El objetivo de la creación de películas en el paso anterior era trazar un plano de la pista de cobre. Ahora, la imagen de la película debe imprimirse en una lámina de cobre.

El procedimiento de fabricación de una PCB prepara primero la creación real de la PCB. La configuración básica de la PCB comienza con una placa laminada, compuesta de resina epoxi y fibra de vidrio, también conocida como material de sustrato. El laminado funciona bien como recipiente para el cobre que perfila la PCB. El material de sustrato, robusto y resistente al polvo, sirve de excelente plataforma de lanzamiento para la placa de circuito impreso. El cobre se adhiere previamente a ambos lados. La progresión consiste en tallar el cobre para descubrir el plano de las láminas.

Mantener la limpieza es fundamental en la formación de PCB. El laminado con cobre incluido se limpia y se transporta a una zona esterilizada. En esta fase, es crucial que ningún contaminante comprometa la superficie del laminado. Si se pasa por alto, una simple partícula de polvo puede desencadenar un cortocircuito o quedarse abierta.

A continuación, el panel recién limpiado se somete a un revestimiento fotosensible denominado fotorresistente. Esta capa incorpora una serie de sustancias químicas reactivas a la luz, que se endurecen cuando se exponen a la luz ultravioleta. Esto garantiza una correlación exacta de las películas fotográficas con el fotorresistente. Las películas se colocan sobre clavijas que mantienen su posición sobre el tablero laminado.

La película y el panel se sincronizan y se someten a la luz UV. Esta luz ilumina las secciones transparentes de la película, solidificando el fotoresistente sobre el cobre subyacente. La tinta negra del trazador evita que la luz llegue a las zonas que se considera que deben permanecer blandas, lo que significa su eliminación.

Una vez finalizada la preparación de la placa, se aplica una solución alcalina para eliminar cualquier resto de fotoresina no endurecida. Un lavado a presión final elimina los posibles residuos de la superficie antes de que se seque la placa.

El resultado final es un producto con la capa de resistencia adecuada sobre los segmentos de cobre destinados a formar parte del artefacto final. Un técnico examina las placas para comprobar que no se ha cometido ningún error durante esta fase. La capa de cobre presente en este momento representa el cobre que aparecerá en la placa de circuito impreso terminada.

Esta fase sólo es aplicable a los tableros de más de dos capas. Los tableros básicos de dos capas saltan a la fase de perforación. Las placas con varias capas requieren pasos adicionales.

Paso 4: Suprimir el cobre superfluo

Una vez eliminada la fotoresina y con la resina solidificada protegiendo el cobre, se procede a eliminar el cobre no deseado. De forma similar a como la solución alcalina eliminó la resistencia, una potente mezcla química disuelve el exceso de cobre. El baño de solución disolvente de cobre elimina todo el cobre desnudo. Mientras tanto, el cobre objetivo permanece fuertemente protegido bajo la capa endurecida de la fotoresina.

Los distintos tableros de cobre poseen normas diferentes. Los tableros más pesados pueden necesitar mayores volúmenes de disolvente de cobre y duraciones de exposición variables. En particular, las placas de cobre más pesadas exigen una mayor atención al espaciado de las pistas. La mayoría de las placas de circuito impreso estándar se basan en las mismas especificaciones.

Una vez que el disolvente ha borrado el cobre no esencial, es el momento de lavar la laca endurecida que protege el cobre prioritario. Esto se consigue con otro disolvente. A continuación, la placa brilla con sólo el sustrato de cobre necesario para el circuito impreso.

Paso 5: Sincronización de capas e inspección óptica

Con las capas prístinas y preparadas, necesitan agujeros de perforación para su alineación. Para alinear las capas interiores con las exteriores, se necesitan orificios de registro. Para garantizar una correspondencia precisa, el técnico coloca las capas en un dispositivo conocido como punzón óptico; aquí es donde se produce el punzonado preciso de los orificios de registro.

Un segundo dispositivo realiza una inspección óptica automática para detectar posibles defectos cuando se ensamblan las capas, ya que las correcciones son inalcanzables a posteriori. El diseño original de Gerber, entregado al fabricante, actúa como referencia. Esta máquina escanea las capas con un sensor láser y yuxtapone electrónicamente la imagen digital con el archivo Gerber original.

Si se observan incoherencias, éstas aparecen en una pantalla para que el técnico las evalúe. La capa, si se aprueba durante la inspección, avanza a las etapas finales de la fabricación de PCB.

Paso 6: Superponer y pegar

La placa de circuito comienza a tomar forma en esta coyuntura. Todas las capas aisladas hacen cola para su interconexión. Una vez contabilizadas y verificadas las capas, sólo queda integrarlas. Las capas exteriores tienen que asociarse con el sustrato en dos pasos: superposición de capas y unión.

El material de la capa exterior son láminas de fibra de vidrio, previamente impregnadas de resina epoxi, lo que se conoce como preimpregnado. Además, una película de cobre recubre la parte superior e inferior del sustrato original que alberga las trazas de cobre grabadas. Ha llegado el momento de prensar estos materiales.

El encolado se realiza sobre una mesa de acero pesado con clips metálicos. Las capas se colocan firmemente sobre los pasadores de la mesa. Todo se presiona firmemente para evitar que se desplace durante la alineación.

En primer lugar, un técnico coloca una lámina preimpregnada sobre una cubeta de alineación. Se coloca cuidadosamente una capa de sustrato sobre el preimpregnado, seguida de una lámina de cobre. Se colocan capas adicionales de preimpregnado sobre la lámina de cobre antes de terminar con una placa de prensado de cobre y una lámina de aluminio. A continuación, se prepara todo el conjunto para el prensado.

Controlado por el ordenador de la prensa de encolado, todo el procedimiento sigue una secuencia automática. Dirige el calentamiento del conjunto, cuándo aplicar la presión necesaria y cuándo permitir que la pila se enfríe de forma constante.

Después, hay un poco de deconstrucción. La placa de circuito impreso multicapa, que tiene todas las capas fundidas en un sándwich asombroso, es desembalada eficazmente por el técnico. Para ello, se retiran los pasadores de sujeción y se desecha la placa de presión superior, dejando al descubierto la placa de circuito impreso alojada dentro de su carcasa de placas de presión de aluminio. La lámina de cobre utilizada en este proceso sirve como las capas externas del PCB.

Paso 7: Taladrar

A continuación, se tallan orificios precisos en la placa apilada. Los próximos componentes, como las vías de cobre y los segmentos de plomo, dependen de la precisión de estos orificios, tan fina que la broca alcanza una anchura de 100 micras, frente a una anchura media de 150 micras.

El localizador de rayos X determina los objetivos de perforación precisos antes de que se realicen los orificios de registro adecuados para estabilizar la placa apilada para los orificios específicos posteriores.

El pretaladrado consiste en colocar una placa de material amortiguador debajo del objetivo de perforación para garantizar una perforación limpia. Un material de salida impide que se produzcan desgarros innecesarios al salir la broca. Cada micromovimiento de la broca está regulado por un ordenador. Utiliza el archivo digital del diseño inicial para identificar dónde perforar.

El aire impulsa los husillos de perforación a 150.000 rpm. A pesar de esta velocidad, el taladrado lleva su tiempo debido a los numerosos agujeros que hay que hacer. Posteriormente, estas cavidades albergan las vías y los orificios de montaje mecánico de la placa de circuito impreso, cuya fijación final se produce tras el chapado.

Una vez finalizada la perforación, se retira el cobre adicional que recubre los bordes del panel de producción mediante una herramienta de perfilado.

Paso 8: Chapado y deposición de cobre

Tras el taladrado, el panel pasa al chapado. La deposición química fusiona las distintas capas durante este proceso. Tras una limpieza a fondo, el panel entra en una secuencia de baños químicos que depositan una fina capa de cobre de aproximadamente una micra sobre la superficie del panel. Este cobre penetra en los orificios recién perforados.

Anteriormente, las superficies de los orificios interiores simplemente dejaban ver el material de fibra de vidrio que componía el interior del panel. Los baños de cobre recubren uniformemente las paredes de los orificios. En consecuencia, se forma una nueva capa de cobre en el panel, que cubre principalmente los nuevos orificios. Los ordenadores supervisan todo el procedimiento de inmersión, retirada y procesado.

Paso 9: Imagen de la capa exterior

¿Recuerdas el paso 3 en el que usamos fotorresistencia en el panel? Es hora de volver a hacerlo, pero esta vez las capas exteriores se imprimen con el diseño de la placa de circuito impreso. El procedimiento comienza en condiciones estériles para evitar que cualquier partícula se adhiera a la superficie de la capa. A continuación, se aplica una capa de fotoresina al panel. El panel, ya preparado, pasa a la sala amarilla, donde las luces UV, perjudiciales para la fotorresistencia, están notablemente ausentes debido a las longitudes de onda de la luz amarilla.

Las transparencias de tinta negra se sujetan firmemente con alfileres para evitar que se desajusten con el panel. Una vez que el panel y la plantilla entran en contacto, se someten a una intensa luz ultravioleta que endurece el fotoresistente. A continuación, una máquina retira el resistivo no endurecido que estaba protegido por la opacidad de la tinta negra.

Este proceso es esencialmente inverso al utilizado en las capas internas. Por último, se inspeccionan las placas exteriores para asegurarse de que se ha eliminado toda la fotoresistencia no deseada en la fase anterior.

Paso 10: Revestimiento

Volviendo a la sección de galvanoplastia, se procede del mismo modo que en el paso 8, recubriendo el panel con una fina capa de cobre. Las secciones del panel descubiertas durante el paso anterior de fotorresistencia se someten a galvanoplastia. Normalmente, el panel se somete a una serie inicial de baños de cobreado antes de pasar al estañado. Esto facilita la eliminación de cualquier resto de cobre que se desee eliminar. La capa de estaño desempeña un papel crucial en el blindaje de la parte del panel que se pretende mantener recubierta de cobre durante la fase de grabado posterior. El proceso de grabado elimina cualquier lámina de cobre superflua del panel.

Etapa 11 : Grabado final

La capa protectora de estaño salvaguarda el cobre necesario durante esta fase. Los elementos de cobre que no se necesitan y que se encuentran debajo de la capa resistente restante se eliminan. Una vez más, se emplean tratamientos químicos para eliminar el cobre sobrante mientras la capa de estaño sigue protegiendo las partes vitales de cobre.

En esta fase, todas las zonas conductoras y las conexiones están correctamente establecidas.

Paso 12: Enmascarar con soldadura

Los paneles se limpian antes de la aplicación de la máscara de soldadura y, a continuación, se recubren con una tinta epoxi de máscara de soldadura por ambas caras. Los paneles se exponen a la luz UV a través de una película fotográfica de máscara de soldadura, dejando las zonas cubiertas en un estado no curado listo para su retirada.

Por último, la placa se introduce en un horno para fijar la máscara de soldadura.

Paso 13: Acabado de la superficie

Se aplica un revestimiento químico de oro o plata a la placa de circuito impreso para mejorar la soldabilidad. Algunos PCB también se someten a nivelación con aire caliente en esta fase, lo que da como resultado almohadillas uniformes y crea el acabado de la superficie. PCBPit ofrece una variedad de técnicas de acabado superficial según los requisitos del cliente.

Paso 14: Serigrafía

La placa está casi terminada con la aplicación de la escritura por chorro de tinta que indica todos los detalles cruciales de la PCB. A continuación, la PCB pasa al proceso final de recubrimiento y curado.

Paso 15: Pruebas eléctricas

Para garantizar la funcionalidad y la alineación con el diseño original, un técnico realiza una prueba eléctrica exhaustiva de la placa de circuito impreso. PCBPit ofrece el sistema mejorado Flying Probe Testing, que utiliza sondas móviles para comprobar el rendimiento eléctrico de cada placa de circuito impreso.

Paso 16: Elaboración de perfiles y puntuación V

El último paso consiste en seccionar diferentes placas del panel maestro mediante una técnica de fresado o ranurado en V. El fresado en V deja pequeñas pestañas a lo largo de los límites de la placa. Mientras que el fresado deja pequeñas pestañas a lo largo de los límites de la placa, el ranurado en V corta canales diagonales a ambos lados de la placa. Ambos métodos facilitan la extracción de las placas del panel.

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