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INTRODUCCIÓN A LAS PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO

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Circuito Impreso (PCB) En electrónica, un circuito impreso o PCB (Printed Circuit Board), es un medio para sostener mecánicamente y conectar eléctricamente componentes electrónicos, a través de rutas o pistas de material conductor, grabados desde hojas de cobre laminadas sobre un sustrato no conductor.

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Historia del Circuito Impreso

El inventor del circuito impreso es probablemente el ingeniero austriaco Paul Eisler quien, mientras trabajaba en Inglaterra, hizo uno alrededor de 1936, como parte de una radio.

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Circuito Impreso (PCB) 4

Circuito Impreso (PCB) 5

Circuito Impreso (PCB) 6

Circuito Impreso (PCB) 7

Circuito Impreso (PCB) ¨  La mayoría de los circuitos impresos están compuestos por entre una a veinticuatro capas

conductoras, separadas y soportadas por capas de material aislante (sustrato) laminadas y pegadas entre sí.

¨  Las capas pueden conectarse a través de orificios, llamados vías. Los orificios pueden ser metalizados, o se pueden utilizar pequeños remaches. Los circuitos impresos de alta densidad pueden tener vías ciegas, que son visibles en sólo un lado de la tarjeta, o vías enterradas, que no son visibles en el exterior de la tarjeta.

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Producción Mundial de PCBs (2010) 9

Producción Mundial de PCBs (2010) 10

Ejemplo Evolución PCBs 11

Ejemplo evolución PCBs 12

Zilog Z80 Spectrum (1982)

i7 (2010) – 1366 pads

Evolución PCBs 13

Ejemplo evolución PCBs 14

Ejemplo evolución PCBs 15

Ejemplo Evolución PCBs 16

Ejemplo evolución PCBs 17

Ejemplo evolución PCBs 18

Ejemplo de Evolución de PCBs

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Componentes THDs y SMDs

¨  THD: Through-Hole Device (componente de inserción)

¨  SMD: Surface Mount Device (componente de montaje superficial)

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Encapsulado de componentes 21

a) Diseño del circuito que se quiere integrar. b) Máscara integrada con los semiconductores necesarios según el diseño del circuito. c) Oblea de silicio donde se fabrican en serie los chips. d) Corte del microchip. e) Ensamblado del microchip en su encapsulado y a los pines correspondientes. f) Terminación del encapsulado.

Características de Encapsulados

¨  Los materiales y las estructuras usadas en el encapsulado de un chip:

¤  Incrementarán la resistencia eléctrica entre el chip y el ambiente.

¤  Incrementarán el retardo eléctrico.

¤  Reducirán la fiabilidad del dispositivo.

¨  Ningún encapsulado reúne las exigencias de todos los productos en términos de:

¤  Rendimiento.

¤  Tamaño.

¤  Peso.

¤  Condiciones de funcionamiento.

¤  Coste.

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Número de Patillas

¨  Cada tipo de encapsulado tiene un rango de nº de patillas. ¤  Encapsulados In-line: típ. 8 – 20 patillas (56 máximo) ¤  Encapsulados Small Outline: típ 24 – 36 patillas ¤  Encapsulados Quad: típ 64 – 200 patillas ¤  Encapsulados Array: > 200 patillas

¨  El paso (pitch) varía desde 0.1 pulgadas (DIP) hasta 0.010 pulgadas en encapsulados de alta densidad de pines.

¨  En el diseño de PCBs normalmente se trabaja en pulgadas, mils. La mayoría

de los componentes se fabrican con un espaciado en pulgadas.

0.05’’=50 mils =1.27mm

0.1’’=100 mils =2.54 mm

0.2’’=200 mils = 5.08 mm

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DIP (Dual-inLine Package)

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Disponibles en plástico de bajo coste y cerámicos para montaje de inserción con un pitch de 0.1 pulgada con una separación entre las 2 filas de pines de 0.30 a 0.60 pulgadas. DIPn= n numero de pines totales. Rara vez se presentan con más de 40 pines

Single in Line (SIP) ¨  SIP (Single-inLine Package)

¤  Usados principalmente para chips de memoria en formato de alta densidad.

¤  Pueden apilarse o alinearse muy juntos

¨  Variantes del SIP ¤  zig-zag inline package (ZIP) ¤  single in-line memory module

(SIMM)

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Small Outline (SO) ¨  Small Outline (30-50% más pequeños que sus equivalentes DIP), 70% más finos.

¤  Montaje superficial

¤  Terminales en 2 filas

¤  Pequeño tamaño

¨  Subfamilias de encapsulados SO:

¤  Small Outline J-Bend Package (SOJ) (patilla curvada hacia dentro)

¤  Small Outline Package (SOP/SOIC) (patilla curvadas hacia fuera PITCH: 0.05’’)

¤  Shrink Small Outline Package (SSOP) (Pitch la mitad que SOIC:0.025’’)

¤  Thin Small Outline Package (TSOP) (ultrafinos)

¤  Thin Shrink Small Outline Package (TSSOP)

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SOJ SOIC TSSOP

THD vs SMD 27

Quad Flat Package (QFP) ¨  QUAD FLAT PACKAGE (QFP Montaje superficial)

¤  Mayor tamaño

¤  Mayor nº de patillas

¤  Patillas en los 4 lados

¨  Dentro de esta familia, los más comunes son: ¤  PQFP (Plastic Quad Flat Pack)

¤  CQFP (Ceramic Quad Flat Pack)

¤  LCCC: Leadless Ceramic Chip Carrier

¤  PLCC: Plastic Leaded Chip Carrier

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LCCC

Encapsulados Array ¨  Varias filas de pines o pads espaciadas de forma regular

¨  Elevado número de patillas

¨  Reducción de tamaño

¨  Subfamilias: ¤  PGA: Pin grid array ¤  BGA: Ball grid array ¤  CS: Chip Scale (Area < 1.2 Veces el área del chip)

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PGA BGA

BGA Package 30

Módulos Multi-Chip ¨  Varios chips conectados dentro del mismo encapsulado ¨  Reducción drástica de la distancia entre chips ¨  Reducción drástica del producto final ¨  Varios materiales para sustratos (cerámicos, epoxis, silicio, ...) ¨  Subfamilias de MCMs

¤  MCM-L: usa sustratos laminados ¤  MCM-C: usa sustratos cerámicos (soportan altas temperaturas) ¤  MCM-D: sustratos de polímero u orgánicos depositados sobre cerámica, Xi, Cu, ... (para

frecuencias reloj elevadas)

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MCM 32

MCM 33

THT vs SMD ¨  Reducción de tamaño y peso

¤  Tamaño de los componentes ¤  Densidad de interconexión ¤  Tamaño de taladros (sólo vías) ¤  Componentes en dos caras

¨  Reducción de costes ¤  Menor tamaño de PCB ¤  Costes de taladrado ¤  Costes de ensamblado ¤  Costes a nivel de sistema

¨  Prestaciones ¤  Respuesta en alta frecuencia ¤  Tiempo de propagación ¤  Resistencia choque y vibración ¤  Interferencia electromagnética

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THROUGH HOLE PACKAGES 35

Mixed 36

SMD 37

THT vs SMD ¨  Limitaciones SMD

¤  Resistencia mecánica n  Soldadura: soporte mecánico n  Diferencia en coeficiente de dilatación

¤  Problemas térmicos n  Densidad de componentes n  Resistencia térmica

¤  Inspección y pruebas n  Tolerancias estrictas y dimensiones reducidas n  Espacio entre terminales y visibilidad de nodos

¨  Junto con el alto nivel de integración en circuitos integrados (VLSI) es la base de la miniaturización de equipos electrónicos.

¨  El uso de SMD supone un cambio en todos los aspectos de la producción: diseño, fabricación, inspección y pruebas.

¨  La evolución de la electrónica convierte a la SMD en indispensable.

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Tipos de PCBs (Coombs) 39

Tipos de PCBs (Coombs)

¨  Naturaleza física ¤  Orgánicos: Capas de papel impregnadas de resina fenólica o capas de tejido

de vidrio impregnadas de resina epoxi, poliamida, etc. ¤  Inorgánicos: Materiales cerámicos y metálicos (Al, hierro dulce, Cu-invar-Cu).

Normalmente usados en aplicaciones donde se necesita muy buena disipación de calor por la PCB.

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¨  Estampado de los conductores: ¤  Cableado discreto: Los conductores se

forman directamente sobre la placa con hilo de cobre aislado. Los conductores se pueden cruzar ofreciendo una gran densidad de cableado. La fabricación es laboriosa y no está indicado para producciones industriales.

¤  Gráfico: El estampado del circuito maestro se forma por fotolitografía sobre un material fotosensible. También se puede hacer la transferencia por laser directamente sobre el sustrato.

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Discrete Wire Board 42

Tipos de PCBs (Coombs)

¨  Naturaleza Física: ¤  Rígidas / Flexibles /Mixtas. ¤  Algunas PCBs son diseñadas para ser muy o ligeramente flexibles, usando

DuPont's® Kapton® film de poliamida y otros. Esta clase de tarjetas, a veces llamadas circuitos flexibles, o circuitos rígido-flexibles, respectivamente, son difíciles de crear, pero tienen muchas aplicaciones. A veces son flexibles para ahorrar espacio (los circuitos impresos dentro de las cámaras y audífonos son casi siempre circuitos flexibles, de tal forma que puedan doblarse en el espacio disponible limitado. En ocasiones, la parte flexible del circuito impreso se utiliza como cable o conexión móvil hacia otra tarjeta o dispositivo. Un ejemplo de ésta última aplicación es el cable que conecta el cabezal en una impresora de inyección de tinta.

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Tipos de PCBs (Coombs)

¨  Método de formación de los conductores: ¤  Sustractivo ¤  Aditivo

¨  Número de capas: ¤  Una cara (SSB): ¤  Doble cara (DSB) ¤  Multicapa (MLB): Los circuitos

impresos de alta densidad pueden tener vías ciegas, que son visibles en sólo un lado de la tarjeta, o vías enterradas, que no son visibles en el exterior de la tarjeta.

¨  Presencia de vías metalizadas: ¤  PTH: Vías metalizadas ¤  No-PTH: Vías no metalizadas.

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Materiales Usados

¨  El circuito impreso está formado básicamente por tres componentes: ¤  Resina ¤  Refuerzo ¤  Capa conductora

¨  Las propiedades físicas, eléctricas y los procesos de fabricación de los PCBs depende en gran medida de las combinación de componentes usados.

¨  Dos grandes clasifícaciones: ¤  National Electrical Manufacturers Association (NEMA) ¤  IPC-4101specification for base materials for rigid and multilayer boards

¨  Glass Transition Temperature (Tg) (Temperatura de transición vítrea) ¤  También se clasifican los materiales por su Tg ¤  Tg es la temperatura a la cual un material deja de ser rígido para ser

deformable. ¤  Las propiedades del material cambian dependiendo de si la temperatura

de trabajo está por encima o por debajo de Tg ,además varia su tamaño.

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Glass Transition Temperature (Tg) 50

NEMA 51

Materiales Usados ¨  FR-2: Multiples hojas de papel impregnadas con una resina fenólica resistente

a las llamas. Coste muy bajo y muy fácil de perforar. ¨  CEM-1: Sustrato de papel con fibra de vidrio en las superficies impreganado

con resina epóxica. Mejores características físicas y eléctricas que el FR-2 manteniendo la facilidad de perforación.

¨  CEM-3: Sustrato de fibra de vidrio no endurecida con fibra de vidrio en las superficies impregnado con resina epóxica. Mas caro que CEM-1 pero mejor para placas con vías metalizadas.

¨  FR-4: Es el material mas usado para la fabricación de placas de circuito impreso. Sustrato de fibra de vidrio impregnado con resina epóxica. Las excelentes propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas de este material lo hacen idóneo para gran número de aplicaciones. Dentro del material FR-4 se pueden distinguir distintas variedades dependiendo de la resina usada. ¤  FR-4 Tg=110ºC ¤  FR-4 Tg=130ºC-140ºC à Mas usada ¤  FR-4 Tg=170ºC-180ºC à Alta calidad Su facilidad y bajo costo de fabricación le ha hecho triunfar frente a otros

materiales. También disponibles en PREPREG para multicapas, las resinas prepreg están

todavía en estado B aún muy reactivo.

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Materiales Usados 53

Propiedades del Sustrato ¨  COEFICIENTE DE EXPANSIÓN TÉRMICA. Las dimensiones físicas cambian

cuando la temperatura varía. ¤  En el eje z: si el sustrato se expande o comprime los agujeros metalizados se deforman y

pueden desplazar (levantar) los pads correspondientes de la superficie. ¤  En el eje x/y: afecta a la sujeción de los componentes a la placa.

¤  Cuanto mas bajo MEJOR

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Propiedades Físicas del Sustrato ¨  TIEMPO DE DELAMINACIÓN: tiempo que resisten los enlaces entre los componentes del

material. ¨  TEMPERATURA DE DESCOMPOSICIÓN: mide la degradación física del sistema.

¨  RESISTENCIA DE ARCO ¨  DENSIDAD

¨  ADHERENCIA DEL COBRE AL SUSTRATO ¨  RESISTENCIA A FLEXIÓN

¨  ABSORCIÓN DE HUMEDAD ¨  RESISTENCIA A ATAQUES QUÍMICOS ¨  INFLAMABILIDAD

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Propiedades Eléctricas ¨  CONSTANTE DIELÉCTRICA: capacidad del material para

almacenar carga eléctrica. Depende de la frecuencia, temperatura, humedad, ..., y del contenido de resina.

¨  FACTOR DE DISIPACIÓN (tanδ): cociente entre potencia disipada en el material y el producto I·∙V. Cuanto mas bajo mejor.

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Propiedades Eléctricas ¨  RESISTENCIA ELÉCTRICA: se mide en determinadas condiciones

RESISTIVIDAD VOLUMÉTRICA RESISTIVIDAD SUPERFICIAL

¨  Fuerza eléctrica: Resistencia a cortocircuitos ante altos voltajes de corriente alterna.

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Ejemplos PCBs 58

¨  Una cara: ¤  Baratas ¤  Validas para circuitos sencillos ¤  Dificultad para controlar las emisiones

electromagnéticas. ¤  Dificultad de controlar las impedancias.

¨  Dos caras: ¤  Baratas (sólo un poco mas caras que las de una

cara) ¤  Validas para circuitos relativamente complejos. ¤  Control de emisiones electromagnéticas con

plano de masa ¤  Controlar las impedancias simplificado con

plano de masa.

¨  MultiCapa: ¤  Caras ¤  Distintas configuraciones ¤  Validas para todo tipo de circuitos ¤  Gran control de EMI e Impedancias.

Ejemplos PCBs 59

Ejemplos FR4 60

http://www.2cisa.com/index.php?com=info-tecnica3&active=null

Videos 61

¨  http://www.youtube.com/watch?v=x_ryyX27J_E ¨  http://www.youtube.com/watch?v=sIV0icM_Ujo

¨  http://www.lab-circuits.com/es/propietats_laminats.php