Antes del diseño de PCB, se recomienda a los diseñadores de circuitos realizar un recorrido por un taller de placas de PC y comunicarse cara a cara con los fabricantes sobre sus demandas de fabricación de PCB. Ayuda a evitar que los diseñadores cometan errores innecesarios que se transmitan durante la etapa de diseño. Sin embargo, a medida que más empresas subcontratan sus consultas de fabricación de PCB a proveedores extranjeros, esto se vuelve poco práctico. Por este motivo, presentamos este artículo para brindar una comprensión adecuada de los pasos del proceso de fabricación de placas PCB. Con suerte, brindará a los diseñadores de circuitos y a aquellos nuevos en la industria de PCB una visión clara de cómo se fabrican las placas de circuito impreso y evitará cometer esos errores innecesarios.

Pasos del proceso de fabricación de PCB

Paso 1: Diseño y Salida

Las placas de circuito deben ser rigurosamente compatibles con un diseño de PCB creado por el diseñador utilizando un software de diseño de PCB. El software de diseño de PCB de uso común incluye Altium Designer, OrCAD, Pads, KiCad, Eagle, etc. NOTA: Antes de la fabricación de PCB, los diseñadores deben informar a su fabricante contratado sobre la versión del software de diseño de PCB utilizada para diseñar el circuito, ya que ayuda a evitar problemas causados ​​por discrepancias.

Una vez que se aprueba el diseño de PCB para producción, los diseñadores exportan el diseño al formato compatible con sus fabricantes. El programa más utilizado se llama Gerber extendido. La campaña publicitaria de alimentos para bebés de la década de 1980 buscaba bebés hermosos, y este software crea crías bellamente diseñadas. Gerber también se conoce con el nombre de IX274X.

La industria de PCB dio origen a Gerber extendido como el formato de salida perfecto. Es posible que diferentes software de diseño de PCB requieran diferentes pasos de generación de archivos Gerber; todos ellos codifican información vital completa que incluye capas de seguimiento de cobre, dibujos de perforación, aberturas, notaciones de componentes y otras opciones. Todos los aspectos del diseño de la PCB se someten a comprobaciones en este punto. El software realiza algoritmos de supervisión del diseño para garantizar que ningún error pase desapercibido. Los diseñadores también examinan el plano con respecto a los elementos relacionados con el ancho de la vía, el espacio entre los bordes de las tablas, el espacio entre las trazas y los orificios y el tamaño de los orificios.

Después de un examen exhaustivo, los diseñadores envían el archivo de PCB a las casas de placas de PC para su producción. Para garantizar que el diseño cumpla con los requisitos de tolerancias mínimas durante el proceso de fabricación, casi todas las fábricas de PCB ejecutan una verificación de diseño para fabricación (DFM) antes de la fabricación de placas de circuito.

Paso 2: del archivo a la película

La impresión de PCB comienza después de que los diseñadores generan los archivos esquemáticos de PCB y los fabricantes realizan una verificación DFM. Los fabricantes utilizan una impresora especial llamada trazador, que produce películas fotográficas de los PCB, para imprimir placas de circuito. Los fabricantes utilizarán las películas para crear imágenes de los PCB. Aunque es una impresora láser, no es una impresora de inyección láser estándar. Los trazadores utilizan una tecnología de impresión increíblemente precisa para proporcionar una película muy detallada del diseño de la PCB.

El producto final da como resultado una lámina de plástico con un negativo fotográfico de la PCB en tinta negra. Para las capas internas de PCB, la tinta negra representa las partes conductoras de cobre de la PCB. La parte clara restante de la imagen indica las áreas de material no conductor. Las capas exteriores siguen el patrón opuesto: transparente para el cobre, pero negro se refiere al área que se grabará. El trazador revela automáticamente la película y la película se almacena de forma segura para evitar cualquier contacto no deseado.

Cada capa de PCB y máscara de soldadura recibe su propia lámina de película transparente y negra. En total, una PCB de dos capas necesita cuatro hojas: dos para las capas y dos para la máscara de soldadura. Es importante destacar que todas las películas deben corresponder perfectamente entre sí. Cuando se usan en armonía, trazan la alineación de la PCB.

Para lograr una alineación perfecta de todas las películas, se deben perforar orificios de registro en todas las películas. La exactitud del agujero se consigue ajustando la mesa sobre la que se asienta la película. Cuando las pequeñas calibraciones de la mesa conducen a una coincidencia óptima, se perfora el agujero. Los agujeros encajarán en los pines de registro en el siguiente paso del proceso de obtención de imágenes.

Paso 3: Imprimir las capas interiores: ¿Adónde irá el cobre?

La creación de películas en el paso anterior tiene como objetivo trazar una figura de camino de cobre. Ahora es el momento de imprimir la figura de la película sobre una lámina de cobre.

Este paso en la fabricación de PCB prepara para fabricar PCB reales. La forma básica de PCB comprende un tablero laminado cuyo material central es resina epoxi y fibra de vidrio, que también se denominan material de sustrato. El laminado sirve como cuerpo ideal para recibir el cobre que estructura la PCB. El material del sustrato proporciona un punto de partida sólido y resistente al polvo para la PCB. El cobre está preadherido por ambos lados. El proceso implica tallar el cobre para revelar el diseño de las películas.

En la construcción de PCB, la limpieza sí importa. El laminado con caras de cobre se limpia y se pasa a un ambiente descontaminado. Durante esta etapa, es vital que no se depositen partículas de polvo en el laminado. De lo contrario, una mota de suciedad errante podría provocar un cortocircuito o permanecer abierto.

A continuación, el panel limpio recibe una capa de película fotosensible llamada fotorresistente. La fotorresistencia comprende una capa de productos químicos fotorreactivos que se endurecen después de la exposición a la luz ultravioleta. Esto garantiza una coincidencia exacta de las películas fotográficas con el fotoprotector. Las películas encajan en pasadores que las mantienen en su lugar sobre el panel laminado.

La película y el tablero se alinean y reciben una ráfaga de luz ultravioleta. La luz pasa a través de las partes transparentes de la película, endureciendo la fotoprotección del cobre que se encuentra debajo. La tinta negra del trazador evita que la luz llegue a las áreas que no deben endurecerse, y están programadas para ser eliminadas.

Una vez preparada la placa, se lava con una solución alcalina que elimina cualquier fotorresistente que quede sin endurecer. Un lavado final a presión elimina cualquier resto que quede en la superficie. Luego se seca el tablero.

El producto emerge con una capa protectora que cubre adecuadamente las áreas de cobre destinadas a permanecer en la forma final. Un técnico examina las placas para asegurarse de que no se produzcan errores durante esta etapa. Toda la resistencia presente en este punto denota el cobre que emergerá en la PCB terminada.

Este paso sólo se aplica a tableros con más de dos capas. Las tablas simples de dos capas pasan directamente a la perforación. Los tableros de varias capas requieren más pasos.

Paso 4: eliminar el cobre no deseado

Con la fotoprotección retirada y la protección endurecida cubriendo el cobre que deseamos conservar, la placa pasa a la siguiente etapa: eliminación del cobre no deseado. Así como la solución alcalina eliminó la resistencia, una preparación química más poderosa elimina el exceso de cobre. El baño de solución de disolvente de cobre elimina todo el cobre expuesto. Mientras tanto, el cobre deseado permanece completamente protegido debajo de la capa endurecida de fotoprotección.

No todas las placas de cobre son iguales. Algunas tablas más pesadas requieren mayores cantidades de solvente de cobre y diferentes duraciones de exposición. Como nota al margen, las placas de cobre más pesadas requieren atención adicional en cuanto al espaciado de las pistas. La mayoría de los PCB estándar se basan en especificaciones similares.

Ahora que el disolvente eliminó el cobre no deseado, es necesario lavar la resistencia endurecida que protege el cobre preferido. Otro disolvente realiza esta tarea. La placa ahora brilla solo con el sustrato de cobre necesario para la PCB.

Paso 5: Alineación de capas e inspección óptica

Con todas las capas limpias y listas, las capas requieren punzones de alineación para garantizar que todas estén alineadas. Los orificios de registro alinean las capas internas con las externas. El técnico coloca las capas en una máquina llamada punzonadora óptica, que permite una correspondencia exacta para que los agujeros de registro se perforen con precisión.

Una vez que las capas se colocan juntas, es imposible corregir los errores que ocurran en las capas internas. Otra máquina realiza una inspección óptica automática de los paneles para confirmar la ausencia total de defectos. Como modelo sirve el diseño original de Gerber, que recibió el fabricante. La máquina escanea las capas utilizando un sensor láser y procede a comparar electrónicamente la imagen digital con el archivo Gerber original.

Si la máquina encuentra inconsistencia, la comparación se muestra en un monitor para que el técnico la evalúe. Una vez que la capa pasa la inspección, pasa a las etapas finales de producción de PCB.

Paso 6: capas y unión

En esta etapa, la placa de circuito toma forma. Todas las capas separadas esperan su unión. Con las capas listas y confirmadas, simplemente necesitan fusionarse. Las capas exteriores deben unirse con el sustrato. El proceso ocurre en dos pasos: capas y unión.

El material de la capa exterior consta de láminas de fibra de vidrio, preimpregnadas con resina epoxi. La abreviatura de esto se llama prepreg. Una fina lámina de cobre también cubre la parte superior e inferior del sustrato original, que contiene los rastros de cobre grabados. Ahora es el momento de intercalarlos.

La unión se realiza sobre una pesada mesa de acero con abrazaderas metálicas. Las capas encajan de forma segura en los pasadores sujetos a la mesa. Todo debe encajar perfectamente para evitar que se desplace durante la alineación.

Un técnico comienza colocando una capa preimpregnada sobre el lavabo de alineación. La capa de sustrato encaja sobre el preimpregnado antes de colocar la lámina de cobre. Sobre la capa de cobre se asientan más láminas de preimpregnado. Finalmente, una lámina de aluminio y una placa prensadora de cobre completan la pila. Ahora está preparado para prensar.

Toda la operación se somete a una rutina automática ejecutada por la computadora de la prensa de unión. La computadora organiza el proceso de calentamiento de la pila, el punto en el que aplicar presión y cuándo permitir que la pila se enfríe a un ritmo controlado.

A continuación, se produce una cierta cantidad de desembalaje. Con todas las capas moldeadas juntas en un súper sándwich de gloria de PCB, el técnico simplemente desempaqueta el producto de PCB multicapa. Es una simple cuestión de quitar los pasadores de sujeción y desechar la placa de presión superior. La bondad del PCB emerge victoriosa desde el interior de su caparazón de placas prensadas de aluminio. La lámina de cobre, incluida en el proceso, sigue comprendiendo las capas exteriores de la PCB.

Paso 7: taladrar

Finalmente, se perforan agujeros en el tablero de apilamiento. Todos los componentes que vendrán más adelante, como los orificios pasantes de unión de cobre y los aspectos con plomo, dependen de la exactitud de los orificios perforados con precisión. Los orificios se perforan con el ancho de un cabello: la broca alcanza 100 micras de diámetro, mientras que el cabello tiene un promedio de 150 micras.

Para encontrar la ubicación de los objetivos de perforación, un localizador de rayos X identifica los puntos adecuados de los objetivos de perforación. Luego, se perforan los orificios de registro adecuados para asegurar la pila para la serie de orificios más específicos.

Antes de perforar, el técnico coloca una tabla de material amortiguador debajo del objetivo de perforación para garantizar que se realice una perforación limpia. El material de salida evita roturas innecesarias en las salidas del taladro.

Un ordenador controla cada micromovimiento del taladro; es natural que un producto que determina el comportamiento de las máquinas dependa de ordenadores. La máquina controlada por computadora utiliza la lima de perforación del diseño original para identificar los puntos adecuados para perforar.

Los taladros utilizan husillos impulsados ​​por aire que giran a 150.000 rpm. A esta velocidad, se podría pensar que la perforación se realiza en un instante, pero hay muchos agujeros que perforar. Una PCB promedio contiene más de cien puntos intactos. Durante la perforación, cada uno necesita su momento especial con el taladro, por lo que lleva tiempo. Posteriormente, los orificios albergan las vías y los orificios de montaje mecánico para la PCB. La fijación final de estas piezas se produce posteriormente, tras el chapado.

Una vez completada la perforación, el cobre adicional que recubre los bordes del panel de producción se elimina mediante una herramienta de perfilado.

Paso 8: Revestimiento y deposición de cobre

Después de perforar, el panel pasa al revestimiento. El proceso fusiona las diferentes capas mediante deposición química. Después de una limpieza profunda, el panel se somete a una serie de baños químicos. Durante los baños, un proceso de deposición química deposita una fina capa, de aproximadamente una micra de espesor, de cobre sobre la superficie del panel. El cobre entra en los agujeros recién perforados.

Antes de este paso, la superficie interior de los orificios simplemente deja al descubierto el material de fibra de vidrio que comprende el interior del panel. Los baños de cobre cubren completamente, o chapan, las paredes de los huecos. Por cierto, todo el panel recibe una nueva capa de cobre. Lo más importante es que los nuevos agujeros estén cubiertos. Los ordenadores controlan todo el proceso de inmersión, retirada y procesión.

Paso 9: Imágenes de la capa exterior

En el Paso 3, aplicamos fotorresistente al panel. En este paso, lo hacemos de nuevo, excepto que esta vez creamos imágenes de las capas exteriores del panel con el diseño de PCB. Comenzamos con las capas en una habitación estéril para evitar que cualquier contaminante se adhiera a la superficie de la capa, luego aplicamos una capa de fotoprotector al panel. El panel preparado pasa a la habitación amarilla. Las luces ultravioleta afectan la fotoprotección. Las longitudes de onda de la luz amarilla no transportan niveles de UV suficientes para afectar la fotoprotección.

Las transparencias en tinta negra están aseguradas con alfileres para evitar que se desalineen con el panel. Con el panel y la plantilla en contacto, un generador los lanza con alta luz ultravioleta, lo que endurece la fotoprotección. Luego, el panel pasa a una máquina que elimina la capa protectora no endurecida, protegida por la opacidad de la tinta negra.

El proceso es una inversión del de las capas internas. Finalmente, las placas exteriores se someten a una inspección para garantizar que se haya eliminado todo el fotorresistente no deseado durante la etapa anterior.

Paso 10: Enchapado

Volvemos a la sala de emplatado. Como hicimos en el Paso 8, galvanizamos el panel con una fina capa de cobre. Las secciones expuestas del panel de la etapa fotorresistente de la capa exterior reciben el galvanoplastia de cobre. Después de los baños iniciales de cobre, el panel generalmente recibe un baño de estaño, lo que permite eliminar todo el cobre que queda en el tablero que se va a retirar. El estaño protege la sección del panel que permanecerá cubierta con cobre durante la siguiente etapa de grabado. El grabado elimina la lámina de cobre no deseada del panel.

Paso 11: Grabado final

El estaño protege el cobre deseado durante esta etapa. El cobre expuesto no deseado y el cobre debajo de la capa resistente restante se eliminan. Nuevamente, se aplican soluciones químicas para eliminar el exceso de cobre. Mientras tanto, el estaño protege al preciado cobre durante esta etapa.

Las áreas conductoras y las conexiones ahora están correctamente establecidas.

Paso 12: Aplicación de máscara de soldadura

Antes de aplicar la máscara de soldadura a ambos lados del tablero, los paneles se limpian y se cubren con una tinta de máscara de soldadura epoxi. Las placas reciben una ráfaga de luz ultravioleta, que pasa a través de una película fotográfica de máscara de soldadura. Las partes cubiertas permanecen sin endurecer y se eliminarán.

Finalmente, la placa pasa a un horno para curar la máscara de soldadura.

Paso 13: Acabado de la superficie

Para agregar capacidad de soldadura adicional a la PCB, las revestimos químicamente con oro o plata. Algunos PCB también reciben almohadillas niveladas con aire caliente durante esta etapa. La nivelación con aire caliente da como resultado almohadillas uniformes. Ese proceso conduce a la generación de acabado superficial. PCBCart puede procesar múltiples tipos de acabados superficiales según las demandas específicas de los clientes.

Paso 14: Serigrafía

La placa casi terminada recibe escritura de chorro de tinta en su superficie, que se utiliza para indicar toda la información vital relacionada con la PCB. La PCB finalmente pasa a la última etapa de recubrimiento y curado.

Paso 15: Prueba eléctrica

Como precaución final, un técnico realiza pruebas eléctricas en la PCB. El procedimiento automatizado confirma la funcionalidad de la PCB y su conformidad con el diseño original. En PCBCart, ofrecemos una versión avanzada de pruebas eléctricas llamada Prueba de sonda voladora, que depende de sondas móviles para probar el rendimiento eléctrico de cada red en una placa de circuito desnuda.

Paso 16: Perfilado y puntuación V

Ahora hemos llegado al último paso: cortar. Del panel original se cortan diferentes tablas. El método empleado se centra en el uso de un enrutador o una ranura en V. Un enrutador deja pequeñas pestañas a lo largo de los bordes del tablero, mientras que la ranura en V corta canales diagonales a lo largo de ambos lados del tablero. Ambas formas permiten que las tablas salgan fácilmente del panel.

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