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Prácticas Circuitos Electrónicos. 2ºT
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PRÁCTICA 8. FABRICACIÓN DE CIRCUITO IMPRESO 1 1. Objetivo En las prácticas 8 y 9 se pretende enseñar al alumno la fabricación de una placa de circuito impreso, o PCB (Printed Circuit Board). En la primera práctica se realizará la insolación de la placa, el revelado, y el ataque del cobre. El proceso se completa con el taladrado de la placa. En la siguiente práctica, se soldarán los componentes y se probará el funcionamiento del circuito.
2. Material necesario El material necesario para la fabricación de un circuito impreso es el siguiente: 1. Placa de PCB positiva a una cara 2. Insoladora UV 3. Líquido revelador 4. Agua oxigenada (H2O2) 110 vols 5. Aguafuerte (ácido clorhídrico, o salfumán) 6. Agua DI, o agua corriente en su defecto 7. Acetona industrial El material se encuentra disponible en la sala de revelado del Departamento de Ingeniería Electrónica, por lo que no es necesario que el alumno lo adquiera.
3. Introducción a la fabricación de PCBs PCB son las siglas de "Circuito Impreso" ("Printed Circuit Board"), que definen a una placa que permite sustentar e interconectar componentes eléctricos. Esta placa se fabrica empleando un material no conductor (p.e. fibra de vidrio). Para la interconexión se emplean delgadas pistas de un material conductor (p.e. láminas de cobre).
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En función del tipo de aplicación a la que vaya destinado, el esfuerzo de diseño puede ser muy elevado, sobre todo porque no deben tenerse en cuenta solo aspectos eléctricos, sino también térmicos, mecánicos, fabricación, calidad, ...
4. Definiciones * Componentes THD "a través de orificio" (Through Hole Device) . Son dispositivos que poseen patas metálicas, que se insertan en agujeros realizados en la placa y a continuación se sueldan y recortan. Suelen ser más económicos y fácilmente manipulables por humanos, aunque complican la fabricación automatizada y presentan problemas de volumen ocupado y de parásitos. * Componentes SMD "de montajes superficial" (Surface Mount Device). Estos dispositivos son mucho más pequeños, disponiendo de terminales de soldadura sobre el propio encapsulado. Permiten reducir el coste de fabricación, debido a la sencilla manipulación que presentan, presentando asimismo un comportamiento casi libre de parásitos. * Cara Componente (Component Side). En el caso de placas de doble cara, en esta cara se colocan los componentes THD, cuyos terminales pasan a través de orificios practicados en la placa. * Cara de Soldadura (Solder Side). Los terminales de los dispositivos THD se sueldan al pad en esta cara. * Huella de Soldadura (Pad): Elemento que permite la soldadura del componente a la placa. Para componentes THD consta de un taladro y una metalización (o dos), mientras que para componentes SMD consta sólo de una metalización. * Huella de Componente (Component pattern). Es la vista física de un dispositivo (con un determinado encapsulado) en el software de diseño PCB. * Serigrafía (Silk): Es la impresión de etiquetas literales (en tinta blanca), que permite identificar componentes. * Pista (Trace): son los conductores que permiten conectar unos terminales con otros. Están presentes en la cara de soldadura (placa de una sola cara), pero también pueden estar en la cara de componentes o en caras internas. * Perforación (Via): permite la conexión de pistas de dos caras diferentes. En placas industriales constan de una cavidad taladra, cuyas paredes han sido metalizadas para conectar los extremos de dicha cavidad. 2
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* Planos de Tierra/Alimentación (Ground/Supply Planes): En los diseños multicapa, a menudo se usan capas intermedias para apantallar y/o distribuir la alimentación. También es necesario indicar que aunque la realización artesanal de placas (como hobby o para prototipos de baja frecuencia) tiene elementos comunes con la realización comercial/industrial, estas últimas tienen elementos adicionales como: múltiples capas (más de dos), pads estañados (para facilitar la soldadura), vías metalizadas (que conectan cualesquiera 2 capas), máscaras antisoldante, serigrafía.
5. Proceso de construcción de PCB El proceso de fabricación de una placa de circuito impreso se basa en la fotolitografía y la soldadura, y consta de los siguientes pasos: 1. Impresión del fotolito de la placa. El diseño se habrá hecho previamente con un programa específico de diseño de circuitos. Los más conocidos son Accel EDA, P CAD, Orcad y EagleCAD. Casi todos proporcionan una versión limitada de prueba. EagleCAD incluso tiene una versión totalmente gratuita. Si el circuito es muy simple se puede realizar con un programa de dibujo cualquiera. Se debe imprimir el diseño en un papel de transparencia o en un papel vegetal. Es recomendable disponer de alguna marca/texto para evitar colocarla del revés. Asimismo, en el caso de diseños de doble cara, es necesario marcas de alineación de ambas caras. 2. Placa con resina fotosensible positiva. Se trata de una placa de material plástico (normalmente fibra de vidrio) cubierta de cobre por una o por las dos caras, y tratada con una resina fotosensible. La resina está protegida de la luz con un adhesivo opaco. Para usar la placa hay que quitar el adhesivo en un ambiente con poca luz, o con una luz que no dañe la resina (por ejemplo, luz roja). 3. Insolación. El fotolito debe mantenerse unido a la placa para evitar que se desplace durante la insolación. El fotolito y la placa se introducen en la insoladora para exponer la zona que no se encuentra tapada por la tinta a la radiación ultravioleta. El tiempo de exposición depende del tipo de fotorresina y de la intensidad luminosa, y normalmente es del orden de dos minutos. Aquello que aparezca en negro, al final del proceso serán pistas de cobre (recuérdese que empleamos una placa positiva). 4. Revelado. La placa se introduce en un baño con revelador, hasta que se aprecie que los dibujos del fotolito se han transferido a la resina. 5. Ataque del cobre. La solución atacante está compuesta por dos partes de agua, una parte de agua oxigenada, y una parte de aguafuerte. Se sumerge la placa en la solución hasta que el cobre no protegido por la resina se ha disuelto. La manipulación de estos componentes químicos es peligrosa y debe hacerse con cuidado. 6. Eliminación de la resina sobrante. Con acetona se elimina la resina sobrante, que aún sigue cubriendo el cobre de la placa. Si no se va a taladrar/soldar durante un tiempo no se elimina la resina ya que 3
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protege contra la oxidación del cobre. 7. Taladrado. Se recomienda emplear un taladro de columna, que permite mantener la ortogonalidad y simplifica el proceso. Es necesario efectuar perforaciones tanto en los pads para los terminales de los componentes THD, como en las ubicaciones de vías ( conexión entre pistas para placas de 2 caras) El grosor de la broca a usar depende del componente. Las más normales son las de 0.8 ó 1 mm, y para componentes más gruesos hasta de 2 mm. 8. Soldadura. Hay que ir soldando los componentes con estaño uno a uno empezando por las vías y continuando por aquellos que tengan menos altura. El proceso de soldadura comienza por acercar el soldador a la zona de soldadura, calentar el cobre de la zona y luego acercar el estaño para realizar la soldadura. Los soldadores alcanzan altas temperaturas con lo que el proceso hay que realizarlo con cuidado. 9. Puesta en marcha del circuito. Una vez todos los componentes están soldados hay que comenzar a probar la funcionalidad del circuito. Lo primero a comprobar es que no existe un cortocircuito entre Vcc y GND. Para comprobarlo, no poner ningún integrado, alimentar la placa y comprobar que la tensión Vcc no se viene abajo y que se encuentra en todos los puntos de alimentación del circuito.
6. Soldadura La soldadura blanda es el proceso mediante el que se realiza la unión de dos piezas de metal, empleando un metal de aportación con bajo punto de fusión (por debajo de 450ºC e inferior al punto de fusión de los metales a unir). En nuestro caso, la soldadura persigue no sólo la conexión mecánica, sino también la eléctrica entre el terminal del componente con el pad de la placa PCB. El metal de aportación empleado es una aleación compuesta por estaño, plata o plomo (Este último en desuso en Europa desde el 2006 debido a la normativa RoHS) Comentemos algunos aspectos: • Limpieza. En ocasiones quedan restos de resina en los pads, aparece oxidación en el cobre o en los terminales. Cualquiera de estos elementos impide la correcta soldadura. • Fundente (flux). Tiene como funcionalidades: la eliminación del óxido así como mejorar las características de mojado de la soldadura (reducción de la tensión superficial). Los hilos de aleación de estaño empleados, suelen llevar un núcleo de fundente. • Si realizamos un aporte de calor excesivo, el componente puede degradarse • Los pasos para una soldadura manual son: 1. insertar el terminal en el orificio realizado 2. acercar la punta del soldador y tocar terminal+pad 3. acercar el hilo de estaño al terminal (sin tocar la punta del soldador). Si la 4
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temperatura es adecuada, se realizará un aporte de estaño, procediéndose a retirar el hilo, pero manteniendo el soldador 4. si se mantiene unos instantes, se produce una distribución uniforme, pudiéndose retirar la punta del soldador 5. mantener inmóvil el componente durante unos instantes, hasta que se enfríe el estaño y se obtenga la clásica forma cónica 6. cortar el exceso de patillas
Proceso de soldadura
7. Comprobaciones Una vez revelada la placa es recomendable realizar una inspección visual para detectar posibles fallos. Los dos defectos básicos son: a) fallo por circuitoabierto: se produce una rotura en una pista. b) fallo por cortocircuito: existe conexión eléctrica entre pistas adyacentes. En el proceso de fabricación por revelado, un exceso de ataque químico tiene a) como resultado, mientras que el defecto provoca b) Cuando se termina el proceso de soldadura es recomendable realizar algunas comprobaciones previas a la puesta en funcionamiento. a) Una soldadura incorrecta puede provocar un fallo por circuitoabierto b) Un exceso de estaño puede provocar fallo por cortocircuito Podemos emplear el multímetro en modo comprobación de continuidad para detectar: • La correcta conexión de unos componentes con otros • Que existe aislamiento con pistas adyacentes. El uso de zócalos para circuitos integrados tiene una doble funcionalidad: • Evitar un exceso de aporte de calor durante la soldadura • Evitar que las protecciones del integrado impidan comprobar continuidad.
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Puente entre terminales
Defecto de aporte de estaño
8. Circuito comprobador de batería En estas dos prácticas se va a construir un circuito para la comprobación del nivel de carga de una batería de coche. La tensión nominal de una batería de automóvil es de 12V, pero cuando el nivel de carga no es óptimo, la tensión baja. El circuito medirá la tensión que hay entre bornas, a través de la conexión al mechero, y encenderá un LED determinado según el nivel de tensión. Los niveles de tensión a los que se encienden los LEDs son ajustables mediante sendos potenciómetros. Dependiendo de la tensión de entrada y las posiciones de los potenciómetros, los transistores Q5, A6, Q7, Q8 y Q9 se encontrarán en diferentes estados de polarización, encendiendo o no cada uno de los LEDs D1 y D2. Hay que notar que el LED D1 se encenderá cuando la tensión esté por encima de un determinado nivel, lo que denota un buen estado de carga de la batería, y se representará con el color verde. El LED D2, en cambio, se encenderá cuando el nivel de tensión esté por debajo de un cierto valor, lo que indicará un nivel de carga demasiado bajo. Es conveniente representar este caso con el color rojo. El esquemático del circuito se muestra en la figura siguiente:
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Este esquemático se puede convertir en un diseño de PCB por una sola cara, con la estructura siguiente:
Comprobador de batería. Izquierda: cara superior (cara de componentes). Derecha: cara inferior (fotolito)
9. Lista de componentes A continuación se incluye el listado de componentes para el circuito. El alumno deberá adquirir los componentes necesarios después de realizar la práctica 8 y antes de realizar la práctica 9. Durante la realización de la práctica 8 en el laboratorio se explicarán las especificaciones de los componentes y cómo comprarlos.
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Cantidad
Componente
Denominación
2 2 5 2 1 1 5 1 1
Potenciómetros ¾ vuelta, 1M , ½ W Diodo zéner de 6 a 8 V R 39K, ¼ W, 10% R 390 ¼ W, 10% LED verde LED rojo Transistor 2N2222A Broca 0.8mm Broca 1mm
P3, P4 Z1, Z2 R3, R4, R5, R7, R9 R1, R2 D1 D2 Q5, Q6, Q7, Q8, Q9
Componentes opcionales 1 Adaptador conexión mechero coche
10. Bibliografía • • • •
“Generation of Precision Artwork for Printed Circuit Boards”, Preben Lund, John Wiley 1978 “High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic”, Howard Johnson, Martin Graham, Prentice Hall 1993 “PCB Design Tutorial”, David L. Jones, http://www.alternatezone.com Wikipedia. http://en.wikipedia.org
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