Qué es un circuito impreso (PCB)

¿Qué es un ¿Placa de circuito impreso (PCB)?

PCB (Printed Circuit Boards), también denominadas "placas de cableado impreso" o "tarjetas de cableado impreso", son la columna vertebral de la electrónica moderna, diseñadas para interconectar y soportar componentes electrónicos a la vez que facilitan la transmisión de señales y energía.

La necesidad de PCB

Antes de las placas de circuito impreso, los circuitos se basaban en métodos de conexión ineficaces:

• Cableado punto a punto: Propensos a averías, con degradación del aislamiento que provoca cortocircuitos.
• Envoltura de alambre: Duraderas pero laboriosas, ya que se enrollan a mano alrededor de los postes.

Cuando la electrónica pasó de los tubos de vacío a los chips de silicio y los circuitos integrados (CI), los métodos tradicionales dejaron de ser prácticos, lo que impulsó la adopción de las placas de circuito impreso (PCB).

Estructura y función de los PCB

• Materiales: Sustrato aislante con capas de cobre conductoras.
• Funciones clave:
• Conectividad eléctrica: Las vías de cobre facilitan la transferencia de señales y potencia.
• Asistencia mecánica: Asegura los componentes; la soldadura (una aleación metálica) une las piezas tanto eléctrica como físicamente.

Ventajas de los PCB

• Fiabilidad: Elimina los errores de cableado manual y los fallos relacionados con el envejecimiento.
• Escalabilidad: Permite la producción en serie, reduciendo el tamaño y el coste del dispositivo.

Las placas de circuito impreso revolucionaron la electrónica y se convirtieron en la base de la industria moderna.

Composición y estructura de los circuitos impresos (PCB)

1. Sustrato

• Materiales:
• FR4 (Fibra de vidrio + Epoxi): El más común, proporciona rigidez; el grosor estándar es de 1,6 mm (0,063 pulgadas).
• Sustratos flexibles (por ejemplo, poliimida/kapton): Se utiliza para placas de circuito impreso flexibles, resiste altas temperaturas, ideal para aplicaciones especializadas.
• Alternativas de bajo coste (Resinas fenólicas/epóxicas): Se encuentran en productos electrónicos de bajo coste; poca resistencia al calor, emiten fuertes olores al soldar.

2. Capa conductora (lámina de cobre)

• Estructura:
• Una cara: Cobre por una sola cara (menor coste).
• Doble cara: Cobre en ambos lados (lo más común).
• Multicapa: Alternancia de capas conductoras y aislantes (hasta más de 32 capas).
• Normas de espesor del cobre:
• Estándar: 1 oz/ft² (~35 µm).
• Aplicaciones de alta potencia: 2-3 oz/pie² para aumentar la capacidad de corriente.

3. Máscara de soldadura

• Función:
• Aísla las trazas de cobre para evitar cortocircuitos.
• Guía la soldadura (por ejemplo, expone las almohadillas a través de aberturas).
• Color: Normalmente verde (por ejemplo, SparkFun utiliza el rojo), pero personalizable (azul, negro, blanco, etc.).

4. Capa de serigrafía

• Propósito: Etiqueta los designadores de los componentes, la polaridad, los puntos de prueba, etc., lo que facilita el montaje y la depuración.
• Color: Normalmente blanco, pero existen otras opciones (negro, rojo, amarillo, etc.).

Capa de PCB Estructura

1. Una cara: Sustrato → Cobre → Máscara de soldadura → Serigrafía.
2. Doble cara: Sustrato (cobre por ambas caras) → Máscara de soldadura → Serigrafía.
3. Multicapa: Capas alternas de sustrato/cobre, rematadas con máscara de soldadura y serigrafía.

Guía de selección de materiales para sustratos de PCB

1. Soluciones de bajo coste (electrónica de consumo)

• FR-1/FR-2 (papel de algodón fenólico, también conocido como "baquelita")
• Material: Resina fenólica + base de papel
• Funciones: Coste ultrabajo (~1/3 de FR-4), pero escasa resistencia térmica (propenso a quemarse) y mecánica.
• Aplicaciones: Mandos a distancia, juguetes y otros aparatos electrónicos de gama baja

2. Material estándar de grado industrial

• FR-4 (fibra de vidrio epoxi)
• Cuota de mercado: Utilizado en >80% de PCB convencionales
• Ventajas: Relación calidad/precio equilibrada, resistencia térmica de hasta 130°C, grosor estándar de 1,6 mm.
• Variantes:
  • FR-3 (compuesto de papel y epoxi): Intermedio entre FR-2 y FR-4
  • FR-5: Versión mejorada para altas temperaturas (soporta >150°C)

3. Aplicaciones de alta frecuencia (>1GHz)

• PTFE (sustratos a base de teflón)
• Propiedades: Pérdida dieléctrica extremadamente baja (Dk=2,2), apta para 5GHz+ mmWave
• Modelos de ejemplo: Serie Rogers RO3000
• Aplicaciones: Estaciones base 5G, comunicaciones por satélite, sistemas de radar

4. Requisitos de alta conductividad térmica

5. Soluciones especializadas

• Sustratos cerámicos (alúmina)
• Ventajas: Coincide con el CET del chip, resiste 500°C
• Tratamiento: Requiere perforación láser (coste elevado), por ejemplo, Rogers RO4000
• Materiales compuestos (Serie CEM)
• CEM-1: Núcleo de papel + superficie de fibra de vidrio (alternativa FR-1)
• CEM-3: Estera de fibra de vidrio + resina epoxi (semitransparente, común en Japón)

Tipos de circuitos impresos (PCB)

Los PCB se clasifican principalmente en tres tipos fundamentales en función de su estructura de capas:

• Placa de circuito impreso de una capa

• Presenta cobre conductor en una sola cara del sustrato
• El diseño más sencillo y rentable
• Aplicaciones comunes: Electrónica básica, calculadoras, fuentes de alimentación

• PCB de doble capa

• Capas de cobre conductoras a ambos lados del sustrato
• Las vías pasantes conectan circuitos entre capas
• Ofrece un enrutamiento más complejo que el de una sola capa
• Usos típicos: Controles industriales, salpicaderos de automóviles

• PCB multicapa

• Estructura apilada con alternancia de capas conductoras y aislantes (4-32+ capas)
• Utiliza vías ciegas/enterradas para las conexiones entre capas
• Ventajas: Alta densidad, blindaje EMI mejorado
• Aplicaciones: Smartphones, servidores, equipos médicos

Funciones de las placas de circuito impreso

1. Conexión eléctrica

• Funcionalidad: Las trazas de cobre conectan con precisión los componentes (resistencias, condensadores, circuitos integrados, etc.) para formar topologías de circuitos completas.
• Ventajas técnicas:
• Alta fiabilidad: Sustituye al cableado manual, eliminando riesgos de cortocircuitos/circuitos abiertos (por ejemplo, placas base de smartphones con precisión de trazo de 0,1 mm).
• Integridad de la señal: Los diseños multicapa (p. ej., más de 6 capas) utilizan planos de tierra/alimentación para reducir la diafonía (crítica para dispositivos de comunicación de alta frecuencia).
• ejemplo: Las placas base de los ordenadores permiten la transferencia de datos a alta velocidad (por ejemplo, carriles PCIe 4.0) entre la CPU, la RAM y la GPU a través del enrutamiento de la placa de circuito impreso.

2. Soporte mecánico

• Diseño estructural:
• Opciones Rígido/Flexible: La electrónica de consumo utiliza placas rígidas FR4, mientras que los wearables adoptan placas flexibles (por ejemplo, los circuitos plegables del Apple Watch).
• Métodos de montaje: Los diseños mixtos SMT (p. ej., resistencias 0402) y THT (p. ej., conectores de alimentación) equilibran densidad y durabilidad.
• Valor práctico: Los controladores de vuelo de drones consiguen reducir el peso y la resistencia a las vibraciones mediante diseños de placas de circuito impreso ligeras (por ejemplo, sustratos de aluminio).

3. Protección de circuitos

• Mecanismos de protección:
• Sustrato aislante: Los materiales FR4 soportan hasta 500 V/mm, lo que evita fugas (por ejemplo, placas de circuito impreso de adaptadores de corriente).
• Máscara de soldadura: El revestimiento epoxi verde evita la oxidación/cortes (habituales alrededor de los puertos USB).
• Tratamientos especiales: Las placas de circuito impreso de automoción utilizan revestimiento de conformación (antihumedad, anticorrosión) para entornos difíciles.

4. 4. Gestión térmica

• Técnicas de refrigeración:
• Difusión del calor del cobreEl cobre de 2 onzas de espesor de las placas de controladores LED reduce las temperaturas de unión.
• Optimización térmica: Las placas base para servidores emplean vías y almohadillas térmicas para transferir el calor a las carcasas (por ejemplo, las placas Intel Xeon).
• Materiales especiales: Sustratos cerámicos (por ejemplo, nitruro de aluminio, 170W/mK) para módulos IGBT de alta potencia.

5. Optimización del espacio

• Procesos avanzados:
• Tecnología HDI: Las vías ciegas/enterradas permiten el apilamiento de 10 capas en placas de smartphones (p. ej., Any-layer HDI del iPhone).
• Via-in-Pad: Las vías rellenas de resina de JLCPCB evitan las fugas de soldadura bajo los chips BGA (por ejemplo, los procesadores Snapdragon).
• Eficiencia de costes: Los diseños compactos (por ejemplo, PCB para smartwatches de 20 mm × 30 mm) reducen los costes unitarios.

Aplicaciones ampliadas

• Alta frecuencia: Las placas de circuito impreso de las estaciones base 5G utilizan PTFE (ε=2,2) para minimizar la pérdida de señal.
• Alta fiabilidad: Las placas de circuito impreso aeroespaciales con chapado en oro de 50μm garantizan una estabilidad a largo plazo.

Gracias a las innovaciones en materiales, procesos y diseño, las placas de circuito impreso siguen impulsando la electrónica hacia un mayor rendimiento, miniaturización y fiabilidad.

Explicación detallada del proceso de fabricación de PCB

Proceso de PCB monocapa (9 pasos básicos)

1. Diseño técnico: Salida de archivos Gerber y confirmación del proceso
2. Corte de sustrato: Corte de precisión de FR-4 (tolerancia de ±0,1 mm)
3. Laminación en seco: Transferencia de patrones mediante exposición LDI
4. Grabado ácido: 35μm (1oz) de cobre grabado
5. Impresión de máscaras de soldadura: Aplicación de tinta fotográfica líquida (LPI)
6. Serigrafía: Marcado con tinta epoxi blanca
7. Acabado superficial: Opciones HASL/ENIG/OSP disponibles
8. Fresado CNC: Corte en V o fresado de contornos
9. Pruebas finales: AOI + ensayos con sonda volante

Diferencias clave de las placas de circuito impreso de doble capa

• Proceso de metalizado de agujeros pasantes (PTH):
• Deposición química de cobre: Recubrimiento de pared de 0,3-1μm
• Galvanoplastia: Logra 20-25μm de cobre en el agujero (norma IPC-6012).
• Transferencia de patrones mejorada:
• Cobreado secundario: Aumenta el espesor a 50-70μm
• Protección estaño-plomo: Capa resistente a la corrosión (las alternativas modernas utilizan estaño puro)

Proceso de núcleo de PCB multicapa (ejemplo de 12 capas)

• Producción de capas internas:

• Core lamination→exposure→DES line (Develop/Etch/Strip)
• Inspección AOI de la capa interna (tasa de defectos <0,1%)

• Parámetros de laminación:

• Estructura de la capa: Lámina de cobre + preimpregnado (PP) + núcleo
• Condiciones de prensado: 180℃/400psi/120 minutos

• Tecnología de perforación:

• Microvías láser: 50-100μm de diámetro (placas HDI)
• Perforación mecánica: 0,2 mm mínimo (tableros de más de 6 capas)

• Procesos Especiales:

• Vía de llenado: Garantiza la fiabilidad de la relación de aspecto 8:1
• Control de impedancia: tolerancia ±10% (±5% para tarjetas RF)

Evolución del proceso moderno

Mejoras ecológicas:

• Chapado en oro sin cianuro: Galvanoplastia por pulsos
• Tratamiento de aguas residuales: >95% recuperación de cobre

Normas de calidad (IPC-A-600G)

• Clase 2: Electrónica de consumo
• Clase 3: Grado militar/médico
• Parámetros clave: Anchura/espaciado mínimo de las líneas, uniformidad del cobre, calidad de la pared del orificio

Proceso de fabricación de PCB: Del diseño al montaje

1. Diseño de PCB

• Herramientas informáticas: Las herramientas CAD (por ejemplo, Altium Designer, KiCad, Eagle) definen la disposición de los circuitos, las trazas y la colocación de los componentes.
• Resultados del diseño: Se generan archivos Gerber (para fabricación) y BOM (lista de materiales).
• Papel del OEM: Los fabricantes de equipos originales (OEM) ultiman el diseño antes de enviarlo a los fabricantes de placas de circuito impreso.

2. Fabricación de PCB

El diseño se transforma en una placa física mediante:

• Grabado: Las capas de cobre se graban químicamente para formar trazas conductoras.
• Perforación: Se perforan orificios para vías y componentes pasantes (perforación mecánica o láser).
• Laminación: Las placas de circuito impreso multicapa se unen mediante calor y presión.
• Acabado superficial: Las opciones incluyen HASL (Hot Air Solder Leveling), ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) y OSP (Organic Solderability Preservative).

3. Montaje de PCB (PCBA)

Los componentes se montan en la placa de circuito impreso mediante:

A. Tecnología de orificios pasantes (THT)

• Los componentes tienen cables insertados en orificios perforados.
• Soldado en el lado opuesto (soldadura por ola o soldadura manual).
• Pros: Fuertes uniones mecánicas, alta fiabilidad.
• Contras: Huella más grande, montaje más lento.

B. Tecnología de montaje en superficie (SMT)

• Los componentes se colocan directamente en las placas de circuito impreso.
• Proceso:

1. Aplicación de pasta de soldadura: La impresión por estarcido deposita la pasta sobre las almohadillas.
2. Escoger y colocar: Los robots posicionan los componentes con gran precisión.
3. Soldadura reflow: La placa se calienta para fundir la pasta de soldadura.

• Pros: Menor tamaño, montaje más rápido, mejor para circuitos de alta frecuencia.
• Contras: Requiere maquinaria precisa, más difícil de reelaborar.

C. Montaje mixto (SMT + THT)

• Algunas placas combinan ambos métodos (por ejemplo, conectores grandes en THT, circuitos integrados en SMT).

4. Pruebas y control de calidad

• Inspección óptica automatizada (AOI): Comprueba si hay defectos de soldadura.
• Pruebas en circuito (ICT): Valida el rendimiento eléctrico.
• Pruebas funcionales: Garantiza que la placa de circuito impreso funcione según lo previsto.

¿Por qué las placas de circuito impreso modernas prefieren SMT?

• Menor tamaño (permite dispositivos compactos como los smartphones).
• Mayor densidad de componentes (más funcionalidad por unidad de superficie).
• Montaje más rápido (apto para la producción en serie).
• Mejor rendimiento en alta frecuencia (las trazas más cortas reducen la EMI).

Componentes de PCB y tendencias de diseño modernas

1. Componentes esenciales de la placa de circuito impreso

Las placas de circuito impreso integran diversos componentes electrónicos en función de su aplicación. Los principales tipos son:

2. Tecnología de interconexión de alta densidad (HDI)

Los PCB modernos adoptan cada vez más Diseños de IDH para satisfacer las demandas de miniaturización:

Características principales de las placas de circuito impreso HDI:

• Mayor densidad de cableado (microvías, trazas más finas < 50µm)
• Más componentes por unidad de superficie (vías apiladas, vías ciegas/enterradas)
• Tamaño/peso reducidos (crítico para dispositivos portátiles)

Aplicaciones:

• Electrónica de consumo: Smartphones, wearables
• Médico: Dispositivos implantables, herramientas de diagnóstico
• Automoción: ADAS, sistemas de infoentretenimiento

Ventajas frente a las placas de circuito impreso tradicionales:

• Mejora de la integridad de la señal (las interconexiones más cortas reducen la EMI)
• Menor consumo de energía (diseños optimizados)
• Rentabilidad (se necesitan menos capas para la misma funcionalidad)

3. Directrices para la selección de componentes

• Diseños con limitaciones de espacio: Prefiero componentes SMT + enrutamiento HDI.
• Circuitos de alta potencia: Utilice placas de circuito impreso de cobre grueso con disipadores de calor.
• Aplicaciones de alta frecuencia: Seleccione materiales de bajo DK (por ejemplo, sustratos Rogers).

Factores clave del diseño de PCB

1. Elementos fundamentales del diseño

(1) Optimización de las características eléctricas

• Ancho de traza: Calculado en función de la carga de corriente (por ejemplo, 1oz de cobre, 1A de corriente requiere ≥0,3mm de ancho de traza).
• Reglas de espaciado:
• Líneas de señal: ≥3× ancho de traza (para evitar la diafonía).
• Líneas de alta tensión: Siga el espaciado estándar IPC-2221.
• Vía Diseño:
• Vías pasantes: Diámetro del orificio ≥ grosor de la placa/8 (garantiza la fiabilidad del chapado).
• Vías ciegas/enterradas: Común en placas HDI (perforadas con láser, 50-100μm de diámetro).

(2) Principios de colocación de componentes

• Zonificación funcional: Aísla las secciones analógica/digital/alimentación.
• Gestión térmica: Mantenga los componentes de alta temperatura (por ejemplo, CPU) alejados de las piezas sensibles a la temperatura.
• DFA (Diseño para montaje):
• Distancia entre componentes SMT ≥0,5 mm.
• Reservar 5 mm de holgura en el borde de la herramienta.

2. Estrategias clave de integridad de la señal (SI)

Consejos para el diseño de alta frecuencia:

• Control de impedancia: tolerancia de ±10% (por ejemplo, pares diferenciales USB a 90Ω±10%).
• Trazado en serpentina: Para la coincidencia de longitud, amplitud ≥5× anchura de traza.

3. Comprobaciones de diseño para la fabricación (DFM)

• Verificación de ingeniería CAM:
• Capacidad mínima de trazado/espacio ≥ fab (por ejemplo, 4/4mil).
• Puentes de máscara de soldadura ≥0,1mm (evita cortocircuitos de soldadura).
• Diseño de apilamiento simétrico: Evita el alabeo del cartón multicapa.

4. Sistema de ensayo y validación

(1) Pruebas de producción

• AOI (inspección óptica automatizada):
• Tasa de detección de defectos: 99,7% (puentes de soldadura/desalineación).
• Precisión de escaneado: 10μm @ 50MP cámara.
• ICT (Pruebas en circuito):
• Cobertura de las pruebas >95% (mediante un dispositivo de cama de clavos).

(2) Validación funcional

• Ensayo de estrés ambiental (ESS): -40℃~85℃ ciclos térmicos.
• Pruebas de diagrama ocular de señales: USB3.0 debe cumplir un margen de máscara >20%.

5. Cadena de herramientas de diseño avanzado

• Software de simulación:
• Análisis SI/PI: HyperLynx, Sigrity.
• Simulación térmica: Flotherm, Icepak.
• Diseño colaborativo:
• Integración 3D ECAD-MCAD.
• Control de versiones: Git para los archivos de diseño de PCB.

Certificaciones de la industria de PCB

1. Certificación UL (conformidad de seguridad)

Organización: Underwriters Laboratories Inc. (líder mundial en ciencia de la seguridad con sede en EE.UU.)

Tipos de certificación:

• Listado: Certificación completa de la seguridad de los productos (por ejemplo, electrónica de uso final)
• Componente reconocido (RU): Para componentes como placas de circuito impreso (lo más habitual para fabricantes de placas de circuito impreso)
• Clasificación: Pruebas especializadas para peligros específicos

Industria de los circuitos impresos:

• Los fabricantes deben mantener un inventario de material aprobado por UL (laminados base, preimpregnados, máscaras de soldadura).
• Cada instalación certificada recibe un número de expediente UL exclusivo (por ejemplo, E142470 de Shengtai).
• Crítico para:
• Acceso al mercado norteamericano
• Protección de la responsabilidad
• Cualificación de la cadena de suministro

2. ISO 9001 (Gestión de la calidad)

Requisitos clave:

• Normalización de procesos
• Mejora continua
• Métricas de satisfacción del cliente

Implantación de PCB:

• Aplicaciones típicas:
• Control de procesos (tolerancia de impedancia ±5%)
• Seguimiento de la tasa de defectos (por ejemplo, <500 DPPM)
• Entrega a tiempo (objetivo >98%)

3. ISO 14001 (Gestión medioambiental)

Impulsores del cumplimiento:

• Tratamiento de aguas residuales (vertido de cobre < 0,5 ppm)
• Eficiencia energética (kWh/m² de producción)
• Control del inventario químico

Ventajas del mercado:

• 62% de los OEM mundiales exigen certificación medioambiental
• Acceso al mercado de la UE y Japón
• Reduce las multas reglamentarias en un 30-40%

4. IATF 16949 (Calidad en automoción)

Requisitos especializados:

• Aplicación del AMFE de procesos
• Documentación PPAP
• Resolución de problemas 8D
• 0 ppm objetivos de defectos

Impacto en la cadena de suministro:

• Obligatorio para los proveedores de automoción de nivel 1 y 2
• Requiere índices de capacidad de proceso (CpK >1,67)
• Auditorías anuales de vigilancia

5. Conformidad con RoHS (restricciones de materiales)

Límites de sustancias:

Métodos de ensayo:

• Cribado XRF
• Verificación ICP-MS
• Declaraciones anuales de proveedores

6. Reglamento REACH (seguridad química)

Marco de cumplimiento:

• 241 sustancias SVHC (a partir de 2023)
• Informes de la base de datos SCIP
• Requisitos de la documentación SDS

Retos de la industria de PCB:

• Conformidad del laminado sin halógenos
• Química del fundente de soldadura
• Formulaciones de revestimientos conformados

Matriz de estrategia de certificación

Campos de aplicación de las placas de circuito impreso

Como componente central de los productos electrónicos, las placas de circuito impreso han penetrado en diversos sectores tecnológicos:

• Electrónica de consumo

• Smartphones/Tablets: Placas de alta densidad de 8-12 capas
• Hogar inteligente: Módulos de control Wi-Fi
• Wearables: Circuitos flexibles y plegables

• Infraestructuras de comunicación

• Estaciones base 5G: Sustratos especiales de alta frecuencia
• Centros de datos: Diseños de transmisión de señales de alta velocidad

• Electrónica automotriz

• Vehículos convencionales: Tableros de control de 4-6 capas
• VE: Sistemas de gestión de baterías de alto voltaje

• Equipamiento Industrial

• Robótica: Diseños de cobre grueso resistentes a las vibraciones
• Automatización: Circuitos resistentes a altas temperaturas

• Aeroespacial

• Satélites: Sustratos especiales endurecidos a la radiación
• Aviones: Diseños adaptados a temperaturas extremas

• Sistemas de energía

• Redes inteligentes: requisitos de alta fiabilidad
• Energías renovables: módulos de conversión de alta potencia

Tendencias tecnológicas:

• Mayor integración (miniaturización de componentes)
• Mejor diseño térmico (materiales de alta conductividad)
• Mayor adaptabilidad al entorno (normas de grado militar)

La tecnología de placas de circuito impreso sigue impulsando la innovación en dispositivos electrónicos de todos los sectores.

Lecturas recomendadas

Material del sustrato PCB
Clasificación de PCB
Cómo diseñar una placa PCB
Diseño de circuitos impresos