Fabricaci n de Circuito Impresos

23
Universidad de Sonora Departamento de Ingeniería Industrial Ingeniería Mecatrónica Manual de Fabricación de Tarjetas Electrónicas Procedimiento para obtener un Printed Circuit Board (PCB) Autor: Victor Hugo Benitez Baltazar Colaboradores: Jesús Bernal, David Tapia, Jesús Horacio Pacheco Ramírez, María Elena Anaya Pérez y Nun Pitalúa Díaz

Transcript of Fabricaci n de Circuito Impresos

Page 1: Fabricaci n de Circuito Impresos

Universidad de Sonora Departamento de Ingeniería Industrial Ingeniería Mecatrónica

Manual de Fabricación de Tarjetas Electrónicas

Procedimiento para obtener un Printed Circuit Board (PCB)

Autor: Victor Hugo Benitez Baltazar Colaboradores: Jesús Bernal, David Tapia, Jesús Horacio Pacheco Ramírez, María Elena Anaya Pérez y Nun Pitalúa Díaz

Page 2: Fabricaci n de Circuito Impresos

1

Introducción

Existe en la carrera de Ingeniería Mecatrónica la necesidad de implementar un gran

número de practicas de laboratorio relacionadas con el diseño de circuitos electrónicos.

Materias como Microcontroladores, Circuitos Eléctricos, Máquinas Eléctricas, Ingeniería

de Control, Control de Máquinas Eléctricas, Electrónica Industrial, Electrónica Digital y

Electrónica Analógica requieren del diseño de sistemas eléctricos y electrónicos para la

demostración practica de diferentes tópicos. Sin duda el diseño de una tarjeta

electrónica es una tarea compleja que requiere de una infraestructura de laboratorio

que actualmente no tiene el departamento de Ingeniería Industrial. El procedimiento

que aquí se muestra consiste en el diseño de tarjetas PCB de forma manual para ser

usadas en las materias citadas como una alternativa económicamente viable para

docentes y alumnos.

Fabricación de Circuitos Impresos (Printed Circuit Board)

Los circuitos impresos (PCB) son medios seguros para sostener componentes

electrónicos sobre una placa de fibra o baquelita, y la más importante aplicación es

conectar dichos componentes por medio de pistas de material conductor, ya que las

placas utilizadas están compuestas por dos materiales en cada lado, cobre (conductor)

y baquelita o fibra (no conductor).

La construcción de PCBs se hace cuando el circuito ya ha sido probado en un

Protoboard y funciona correctamente y además no se requerirán modificaciones a

futuro.

Cuando se trata de circuitos sencillos se pueden utilizar placas perforadas, que pueden

encontrarse en tiendas de componentes electrónicos, pero presentan la desventaja de

tener pistas pre-construidas y no permiten modificaciones, por lo que se requieren gran

cantidad de conexiones por cable y puede ser poco funcional como se puede ver en la

Figura 1.

Page 3: Fabricaci n de Circuito Impresos

2

Figura 1. Tarjeta ya perforada donde se aprecia el cableado externo

Los circuitos impresos son utilizados dentro de cualquier dispositivo electrónico

industrial, electrodomésticos, proyectos académicos de investigación, equipo

experimental, etc., como por ejemplo tarjetas madre de computadoras, dentro de

televisiones y sus controles remotos, licuadoras, etcétera.

Page 4: Fabricaci n de Circuito Impresos

3

Figura 2. Circuito de una tarjeta madre

Existen varias maneras de fabricarlas, que pueden ser:

- Maquinas de Control Numérico (CNC)

Figura 3. Control numérico para fabricar PCBs

Page 5: Fabricaci n de Circuito Impresos

4

- Por medio de Luz Ultravioleta (UV)

Figura 4. Medios ópticos de producir un PCB

- Serigrafía

Figura 5. Otra alternativa de fabricar un PCB es la serigrafía

Page 6: Fabricaci n de Circuito Impresos

5

- Máquinas laser

Figura 6. Métodos basados en laser

- Por métodos manuales

Figura 7. Se puede fabricar un PCB de forma manual

Page 7: Fabricaci n de Circuito Impresos

6

En lo particular, mostraremos cómo aplicando técnicas manuales o caseras, es

posible diseñar un PCB de forma económica y funcional con resultados aceptables.

Los pasos para la fabricación por métodos caseros son:

- Diseño del circuito electrónico, el cual se puede realizar por medio del software

Livewire.

- Al tener el diseño simulado, se convierte usando Livewire a PCB, con la ayuda

del software PCB Wizard.

- Se indican las dimensiones de la placa fenólica que se utilizará y se asignan el

espesor de las pistas y los pads.

- De forma automática, se construye el circuito impreso por medio de software,

pero en ocasiones no es capaz de completarlo en un 100%, por lo que será

necesario modificar líneas o quizá crear puentes con cable manualmente.

También, para ayudar al diseño, se pueden reordenar los componentes para

darle un acomodo más adecuado o funcional según sea el caso.

- Al tener el diseño final, se selecciona la vista “artwork” dentro de PCB Wizard,

que nos muestra simplemente la plantilla de lo que estará cubierto por cobre.

- Esta plantilla se imprime directamente de PCB Wizard en impresora láser en

acetato.

NOTA: Para mejores resultados, se recomienda utilizar impresión de alta calidad

y con suficiente tinta, además de imprimir sobre acetato especial para

impresión laser.

- Se lija la placa fenólica por la parte de cobre, utilizando una lija muy fina, hasta

darle brillo (esto se hace para eliminar impurezas).

- Con un algodón, se limpia la placa con acetona o thinner (se hace para quitar

grasa, por lo que después de limpiarla no se debe tocar con los dedos).

- Se recorta la plantilla a la medida de la placa fenólica y se fija de tal manera que

el lado de la tinta quede sobre el lado de cobre (se utiliza cinta adhesiva para

fijarla).

Page 8: Fabricaci n de Circuito Impresos

7

- Se utiliza una plancha para transferir el toner del acetato al cobre. Se plancha

durante 5 a 10 minutos.

- Se desprende el acetato después de que se enfríe la placa. Esto se hace con

cuidado.

- Se coloca en un recipiente desechable y se vierte el cloruro férrico mezclándolo

con agua oxigenada.

- Se agita hasta ver que el cobre expuesto ha desaparecido. En ese momento se

retira del ácido y se enjuaga con agua,

- Se limpia con Thinner o algún solvente para remover la tinta y después se

perfora.

Los anteriores pasos se detallarán en una sección posterior.

El material que se requiere para la fabricación de circuitos impresos de forma manual

se enlista a continuación:

1. Placa fenólica

2. Cloruro Férrico

3. Agua oxigenada

4. Lija fina para metal

5. Taladro con broca de 1mm.

6. Acetato para Impresión en láser

7. Recipiente desechable

8. Thinner o algún solvente

9. Algodón

Las siguientes herramientas son requeridas:

1. Plancha

2. Tijeras

3. Taladro

Como se puede observar, los materiales y herramientas son de propósito general, por

lo que se dice que son métodos caseros, además de resultar económico.

Page 9: Fabricaci n de Circuito Impresos

8

Procedimiento para el diseño del circuito impreso:

- A partir de un diseño electrónico previamente simulado en el software Livewire,

se selecciona Tools>Convert>Design to Printed Circuit Board (Figura 8).

Figura 8

- Aparecerá un asistente que nos guiara paso a paso en la personalización de

nuestro diseño si así se desea o podemos seleccionar que lo haga

automáticamente.

Page 10: Fabricaci n de Circuito Impresos

9

Figura 9

-Seleccionando la opción de personalizar el circuito impreso, tendremos varias

opciones dentro de este asistente, como son:

Forma de la tabla

Dimensiones

Componentes

Espacio entre componentes

Opciones de las pistas (Permitir pistas diagonales, Puentes con cable,

Grosor de las pistas, etc.)

- Al concluir el asistente, se hará una animación de la colocación de los

componentes y la creación de las pistas, además se informa al usuario del

porcentaje que el software pudo completar mediante pistas, ya que en caso de

no ser el 100%, el resto sería por medio de puente de cables (Figuras 10 y 11).

Page 11: Fabricaci n de Circuito Impresos

10

Figura 10

Figura 11

Page 12: Fabricaci n de Circuito Impresos

11

- Cuando se trata de circuitos sencillos comúnmente se completa el 100% por

medio del asistente, pero de lo contrario se realizan puentes por medio de

“Flying Wire” que se encuentra en Insert (Figura 11).

Figura 12

- El anterior es el circuito impreso utilizado en el proyecto de Heliostatos, y como

se puede observar tiene un grado de complejidad mayor al del presente tutorial,

pero para fines didácticos el procedimiento es similar. La imagen de la Figura 12

solo se utiliza para mostrar el uso de puentes con cable. Además se observa

que se puede agregar texto al diseño.

Page 13: Fabricaci n de Circuito Impresos

12

Procedimiento para la impresión del diseño:

- Una vez que el diseño es adecuado y tenemos la certeza de que funcionará, se

procede a seleccionar la opción de impresión (ARTWORK), que se encuentra en

File>Print>Artwork (Figura 13).

Figura 13

- Para obtener los mejores resultados, se recomienda utilizar impresora laser y

acetato especial para impresión a laser. En caso de no contar con impresora

láser, se puede imprimir el diseño de artwork en hoja blanca, y posteriormente

acudir a cualquier papelería a fotocopiar directamente en acetato, ya que las

fotocopiadoras utilizan también tóner, en lo cual se basa la transferencia del

diseño a la placa, ya que el tóner al calentarse se desprende del acetato y se

adhiere al cobre, técnica que se explicará en la sección de transferencia en este

manual.

- NOTA: Los mejores resultados se obtienen al imprimir directamente del

programa PCB Wizard en acetato vía impresora laser, por lo que el uso de hojas

Page 14: Fabricaci n de Circuito Impresos

13

blancas solo se deberá hacer como última opción. La impresión del Artwork

lucirá de la siguiente manera:

Figura 14

- Teniendo el acetato impreso, se recorta a la medida exacta de la tabla que se

utilizará, ya que esto nos permite una mejor sujeción del acetato a la placa

(Figura 15).

Page 15: Fabricaci n de Circuito Impresos

14

Figura 15

Procedimiento para la transferencia del diseño a la placa:

- Se lija la placa con una hoja fina para metal, para remover impurezas o suciedad

(Figuras 16 y 17).

Figura 16

Page 16: Fabricaci n de Circuito Impresos

15

Figura 17

- Se limpia con acetona o thinner, para eliminar los residuos del lijado o de grasa

transferida por medio de nuestros dedos, por lo que es importante, que al

terminar de limpiarla con el solvente, no se toque directamente la capa de cobre.

- Esperamos a que el solvente se haya secado para proceder a fijar el acetato

previamente recortado. Para esto se coloca el lado que contiene la impresión

contra la cara de cobre de la placa (Figura 18). Se fijan las esquinas

primeramente con el uso de cinta adhesiva y posteriormente los lados, para no

permitir que el acetato tenga movimiento.

Page 17: Fabricaci n de Circuito Impresos

16

Figura 18

- Una vez fijado el acetato, se procede a transferir la impresión a la placa, con la

ayuda de una plancha domestica, la cual nos ayudará a calentar el toner

contenido en la impresión para que este se desprenda del acetato y se fije en el

cobre. Para esto, se coloca la placa dentro de alguna tela que se utiliza para

evitar el contacto directo de la superficie de la plancha con el plástico del acetato

(Figura 19).

Page 18: Fabricaci n de Circuito Impresos

17

Figura 19

- Se presiona la plancha al mismo tiempo que se recorre el área completa de la

placa, para provocar que toda la tinta se adhiera a la placa, pero

moderadamente, ya que podríamos correr el tóner o desprender el acetato. Esto

se realiza durante aproximadamente 10 minutos y después se retira la plancha.

- Esperamos a que se enfríe la placa y después se retira la cinta adhesiva y el

acetato lentamente, cerciorándose de que la transferencia haya sido exitosa

(Figura 20).

Page 19: Fabricaci n de Circuito Impresos

18

Figura 20

- En caso de existir imperfecciones en la transferencia como pueden ser poros o

pistas discontinuas, se puede utilizar marcador de tinta indeleble para corregir

dichas imperfecciones y así poder pasar a la siguiente etapa. En caso de utilizar

marcador, se deberá dejar secar la tinta.

Page 20: Fabricaci n de Circuito Impresos

19

Procedimiento para remover el cobre de la placa:

- En un recipiente que pueda desecharse, se coloca la placa en el fondo del

recipiente horizontalmente, y se vierte Cloruro Férrico sobre ella de tal manera

que la cubra, para disminuir el tiempo de espera, se recomienda agregar Agua

Oxigenada a la solución, ya que notamos que acelera la reacción química y

remueve más rápidamente el cobre (Figura 21).

Figura 21

- Se recomienda hacer este procedimiento en espacios al aire libre o bien

ventilado, ya que la solución emite gases.

- Se puede dejar trabajar a la solución por si misma o se puede agitar el recipiente

para acelerar el proceso. Esto se hace hasta observar que el cobre expuesto se

haya disuelto por completo, quedando solamente lo protegido por tinta (Figura

22).

Page 21: Fabricaci n de Circuito Impresos

20

Figura 22

- Una vez terminado el proceso de remoción de cobre, se enjuaga la placa y el

recipiente con agua para eliminar los restos de solución.

- Una vez hecho esto, se recomienda remover la tinta de la placa utilizando

cuidadosamente un solvente fuerte como thinner, ya que este fácilmente

remueve la tinta sin dejar manchas, lo anterior se hace en el mismo recipiente y

con el uso de algodón, estopa o algún trapo.

Page 22: Fabricaci n de Circuito Impresos

21

Figura 23

- Después de esto se vuelve a enjuagar la placa con agua para eliminar los restos

de solvente y se deja secar para posteriormente realizar los barrenos necesarios

(Figura 23).

- El barrenado se realiza con una pequeña broca de 1mm. de diámetro (Figura

24).

Figura 24

Page 23: Fabricaci n de Circuito Impresos

22

- Después de barrenar, se puede proceder a realizar la soldadura de los

componentes (Figura 25).

Figura 25

- El producto terminado se puede ver de la siguiente manera (Figura 26).

Figura 26