¿Qué son las placas de circuitos impresos?

Finalidad de las PCB
 

Las placas de circuitos impresos, o PCB, son estructuras que contienen y conectan circuitos eléctricos. Funcionan como el cerebro del sistema, conectando componentes para habilitar diferentes funcionalidades. También se las conoce como PCA (siglas en inglés de ensamblajes de circuitos impresos) o CCA (siglas en inglés de ensamblajes de tarjetas de circuitos).

Las PCB son omnipresentes en la tecnología actual. Representan la tendencia general en tecnología que consiste en lograr sistemas de mayor potencia que ocupen menos espacio físico. Aunque varían en tamaño, las PCB generalmente ocupan mucho menos espacio dentro del diseño de un producto que otras formas de cableado eléctrico. El reducido tamaño de las placas de circuitos impresos es una de sus principales ventajas para el desarrollo de productos modernos.

Otra característica clave de las PCB es su capacidad de adaptación. Debido a la naturaleza modular de su construcción, las PCB se pueden adaptar para servir a una amplia gama de funciones dependiendo de cada caso de uso específico. En última instancia, las PCB sirven para conectar circuitos electrónicos con el fin de alimentar muchos de los dispositivos electrónicos que utilizamos habitualmente, desde smartphones hasta sistemas industriales.

¿Cómo se fabrican las PCB?

Primer plano de una PCB

Fabricación de PCB

Las PCB, que pueden estar compuestas de una, dos o varias capas, se fabrican con capas alternas de un metal conductor, casi siempre de cobre, y una capa aislante. Las rutas conductoras, o pistas, se graban capa por capa en el metal de cobre. Esto se hace de una de dos maneras. El primer método consiste en una lámina de cobre completa que se coloca sobre la placa. A continuación, las rutas deseadas para las pistas se enmascaran y se utiliza una máquina para grabar el cobre superfluo, dejando el metal conductor solo en los lugares donde el diseñador pretendía que estuvieran las pistas.

Como alternativa, es posible dejar expuestas solo las rutas de las pistas expuestas y sumergir la placa en una solución de cobre. Este método recubre solo las partes expuestas de la capa de cobre y se obtiene el mismo resultado final que con el método anterior. Este segundo método suele preferirse para la fabricación de un gran volumen de PCB o PCB con muchas capas, debido a que es más rentable al desperdiciar menos cobre en general. Independientemente del método utilizado, el proceso se repite hasta que se obtiene la cantidad deseada de capas de la placa. El ensamblaje completo de todas las capas de la PCB suele denominarse “pila de capas” o “apilado”.

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¿Quién participa en el diseño de placas de circuitos impresos?

Las PCB son componentes electrónicos integrales que son necesarios para una gran variedad de funciones electrónicas. Profundicemos y exploremos algunos de los actores clave que participan en el diseño, la integración y la producción de PCB.

Avatar de diseñador de PCB

Diseñador de PCB

 

El diseñador de PCB es una función especializada dentro del campo más amplio de la ingeniería electrónica. Se centra únicamente en el diseño y la funcionalidad de las placas de circuitos impresos. A menudo, el diseñador de PCB debe conocer las herramientas CAD y es el responsable de las fases de elaboración del esquema, selección de componentes, diseño y documentación del proceso de diseño.

Los diseñadores de PCB necesitan un conocimiento profundo de la función de la placa que están diseñando, y son responsables de tomar decisiones tales como el nivel apropiado de rigidez de la placa, el material principal óptimo y otras decisiones organizativas o sobre materiales.

Avatar de diseñador de PCB

Ingeniero electrónico/arquitecto de sistemas

 

Más allá de la función de diseñador de PCB, un ingeniero electrónico o arquitecto de sistemas es responsable de visualizar la integración de una PCB en el sistema eléctrico más amplio. Esto puede implicar tareas como la asignación de conexiones entre PCB y otras entradas, o incluso la determinación de la disposición óptima de las placas en relación con los requisitos del sistema.

En una organización más pequeña, las tareas de un diseñador de PCB y de un ingeniero electrónico o arquitecto de sistemas pueden reunirse en una sola función. Sin embargo, es importante hacer la distinción entre el diseño de la placa y asignación general y la visualización del sistema eléctrico general.

Ingeniero mecánico

 

Un ingeniero mecánico podrá proporcionar una perspectiva única del ajuste general de la pieza y ofrecer orientación sobre cómo se puede cambiar una pieza o modificar un diseño para integrarlo mejor en el diseño general del producto. La participación de un ingeniero mecánico es primordial a la hora de integrar la PCB en el diseño general del producto.

Un ingeniero mecánico, además de las funciones indicadas anteriormente, tendrá conocimientos sobre cómo incorporar mejor la gestión térmica en el producto general para evitar el sobrecalentamiento del sistema, que es una de las principales preocupaciones durante el diseño y la implementación de PCB.

Fabricante de PCB

 

Los fabricantes de PCB también son actores clave en el diseño, la integración y el proceso de producción de PCB. Son responsables de obtener los materiales necesarios para fabricar las PCB, por lo que deben participar en conversaciones a lo largo del proceso de diseño, ya que proporcionan una perspectiva inestimable de los recursos físicos disponibles para ejecutar los diseños que están desarrollando las funciones descritas anteriormente.

Además, la fabricación de PCB consume una parte significativa del presupuesto destinado a cualquier producto que contenga PCB, especialmente los sistemas más complejos. Los fabricantes de PCB representan un grupo importante que debe participar en conversaciones sobre los costes proyectados, lo que es clave a la hora de presentar una propuesta de proyecto a la dirección.

¿Dónde se utilizan las placas de circuitos impresos?

Las PCB se encuentran en casi todos los dispositivos tecnológicos modernos, desde dispositivos inteligentes personales hasta grandes sistemas industriales. Explore algunos de los sectores a continuación.

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Nuestras soluciones para placas de circuitos impresos

SOLIDWORKS ofrece una gama de herramientas para dar soporte a los sistemas eléctricos de su cartera de productos de SOLIDWORKS Electrical, incluidas las que admiten la integración de PCB en diseños CAD. Veámoslas.

CircuitWorks para SOLIDWORKS

Captura de pantalla de CircuitWorks

CircuitWorks es un complemento disponible en el software SOLIDWORKS CAD. CircuitWorks incorpora el diseño de PCB al ecosistema de SOLIDWORKS, lo que aumenta la integración entre los equipos de ECAD y MCAD. Es una herramienta de colaboración que permite a los usuarios importar información de diseño de PCB directamente a sus diseños paramétricos de SOLIDWORKS, así como definir ensamblajes en SOLIDWORKS que después se pueden enviar a la herramienta de PCB deseada. Gracias a este diseño bidireccional, CircuitWorks se adapta a su forma de trabajar y mejora sus flujos de trabajo actuales.

Glosario: Definición de placas de circuitos impresos

Hay una amplia terminología exclusiva relacionada con las PCB. A continuación, se definen algunos de los términos y conceptos clave relacionados con el diseño, la integración y la producción de PCB.

Término
Definición
Pista

Una pista es una ruta conductora, normalmente hecha de cobre, que está grabada en su capa respectiva de la placa. Las pistas pueden ser internas y externas. Las pistas internas y externas difieren en sus capacidades de disipación de calor y otras características como la anchura y el grosor. Veámoslas en detalle.

Pista interna
Una pista interna está contenida dentro de una capa interna de la placa de circuitos. La disipación de calor de las pistas internas es peor que la de las pistas externas. Por lo tanto, se debe tener cuidado al seleccionar la anchura, el grosor y la ruta adecuados para estas pistas a fin de evitar el sobrecalentamiento.

Pista externa
A diferencia de las pistas internas, una pista externa se encuentra en la parte superior o en la base de la placa. Estas pistas son visibles al mirar la placa ensamblada, lo que proporciona a las PCB sus característicos patrones de líneas. Las pistas externas son mejores en la regulación térmica que las internas debido a su posición en una cara expuesta de la placa.

Agujero

Un agujero en una PCB es cualquier perforación a través de una capa de la placa. Este orificio se puede realizar mediante perforación mecánica, extracción por láser o disolución química. Puede haber agujeros estructurales para fijar los componentes físicos a la superficie de la PCB, o agujeros para pasar entre capas. La forma específica, el tamaño y la orientación de cada agujero en relación con el resto dependen de los requisitos de cada placa. 

Además, los agujeros de la PCB pueden estar chapados o no chapados: 

Agujeros chapados
Un agujero chapado es aquel que se ha chapado de un metal conductor. Estos agujeros están diseñados específicamente para conducir electricidad.

Agujeros no chapados
Un agujero no chapado se hace para atravesar una o más capas de la PCB que no conducen electricidad. Suelen utilizarse para fines estructurales en lugar de como soporte para circuitos, ya que no son conductores.

Vía

Una vía, que es un tipo de agujero chapado, permite el enrutamiento de las señales entre las capas de la PCB. Entre los principales tipos de vías se incluyen las siguientes:

Vía pasante
Una vía pasante va desde la parte superior de la placa hasta la base, lo que permite la conectividad a través de todas las capas de la placa. Son una elección eficaz debido a su relativa facilidad de fabricación en comparación con el uso de una combinación de vías pasantes ciegas y enterradas.

Vía ciega
Una vía ciega se ubica en la capa superior o en la base de la PCB. Estas vías añaden conectividad entre las capas exteriores de la placa y las capas internas. Lo que se pierde en el espacio de superficie disponible, se gana en el espacio de capa interno.

Vía enterrada
Un vía enterrada se sitúa entre capas internas que transportan la señal a través de una o varias capas internas. Es opuesta a una vía ciega y, en su caso, lo que se pierde en el espacio de capa interna, se gana en el espacio de superficie disponible.

Microvía
Una microvia es una vía especializada que suele utilizarse en PCB HDI (interconexión de alta densidad). Estas vías pueden ser considerablemente más pequeñas que las vías tradicionales y permiten un diseño de circuito de mayor densidad, lo que permite incluir más funcionalidad en menos espacio.

Inclusión/exclusión

Inclusión y exclusión son términos habituales en el ámbito del diseño de PCB. Se relacionan con las decisiones sobre dónde, o dónde no, diseñar componentes en la capa de la placa.

 

Componentes de dispositivo de montaje superficial (SMD)

Un componente de dispositivo de montaje superficial (SMD, por sus siglas en inglés) se fija a la superficie de la placa mediante soldadura. Estos componentes no pasan a través de la placa en las capas internas como lo haría un componente pasante. Algunos tipos comunes de SMD incluyen resistencias, inductores, transistores, condensadores, diodos, y controladores integrados (IC).

 

Rigidez

La rigidez determina la flexibilidad de una placa. Hay una gama de posibles rigideces, de las cuales a continuación se describen las más comunes:

Rígida
Una PCB rígida es inflexible. Las placas rígidas, que siguen siendo el tipo más común de PCB, son ideales para entornos de baja tensión y geometrías estándar. Las placas rígidas son fáciles de fabricar en comparación con otros niveles de rigidez y también son ideales para la producción en masa.

Flexible
Una PCB flexible es un circuito completamente flexible. Las PCB flexibles se fabrican normalmente con poliimida, que es básicamente un plástico altamente flexible y resistente al calor. Las placas de circuitos impresos (PCB) flexibles son ideales para geometrías irregulares debido a su flexibilidad, y se encuentran comúnmente en los dispositivos portátiles personales.

Rígida flexible
Una PCB rígida flexible combina elementos de la PCB rígidos y flexibles. Estas placas son ideales gracias a su capacidad para absorber un mayor umbral de impacto mecánico en comparación con una placa rígida, y por su combinación única de flexibilidad y durabilidad al mezclar elementos rígidos y flexibles. Aunque pueden requerir más consideraciones de diseño que otros tipos de placas para aspectos como el radio de curvatura y la deformación mecánica, una vez construidas estas placas, son excelentes opciones para diseños personalizados y cualquier gama de casos de uso de productos, tanto personales como industriales.

Preimpregnadas

El preimpregnado es una capa aislante en una PCB de varias capas. Las capas preimpregnadas, que normalmente se fabrican con fibra de vidrio impregnada en resina, son esenciales para conectar y aislar las capas de cobre de la PCB. Por lo general, no se necesitan capas preimpregnadas separadas, fuera de su uso en el ensamblaje del núcleo, en una placa de una sola capa, ya que en ella solo hay una capa conductora y, por lo tanto, no es necesaria la separación de capas adicional que proporcionan las capas preimpregnadas.

 

Núcleos

Un núcleo de una PCB también se denomina a veces base de la PCB o sustrato de la placa. Los núcleos son capas preprensadas. El material del núcleo o sustrato se coloca entre capas de lámina de cobre y materiales preimpregnados respectivamente. Los núcleos suelen estar hechos de una mezcla de resina de fibra de vidrio similar a las capas preimpregnadas descritas anteriormente, y se pueden encontrar escritos como núcleos “FR4”/PCB. Los núcleos también se pueden fabricar o mejorar con cerámica para mejorar la conductividad térmica, o bien de metal para su uso en una PCB con núcleo de metal, lo que ofrece ventajas estructurales adicionales. La elección del núcleo dependerá del caso de uso deseado y del entorno en el que se implementará la placa.

 

Serigrafía

La serigrafía es la capa superior de la PCB. Se trata de uno de los últimos pasos del proceso de fabricación. La capa de serigrafía, que normalmente se hace en blanco, se utiliza para el etiquetado, la marca y cualquier otra información que sea necesario escribir en la placa.

 

Máscara de soldadura

La máscara de soldadura, o resistencia de soldadura, cubre toda la PCB, dejando fuera las áreas donde se debe realizar la soldadura. Suele ser de color verde, aunque también puede ser roja o negra, y ayuda a evitar cortocircuitos mediante el aislamiento físico y eléctrico de las pistas de la placa.

 

Archivos Gerber

Un archivo Gerber es un tipo de archivo de fabricación común que es la forma estándar de comunicar las especificaciones de la placa al fabricante.

 

Archivos ODB++

Los archivos ODB++ son otra forma de comunicación entre las áreas de diseño y fabricación. Son eficaces para comunicar la información de diseño de PCB entre las herramientas CAD y CAM y, por lo tanto, entre los equipos de diseño/ingeniería y fabricación.