Introducción y normas básicas de diseño

Desarrollo y Construcción
de Prototipos Electrónicos
2.1.- Fabricación de Circuitos Impresos
Tema 2.1.1.- Introducción y
normas básicas de diseño
INTRODUCCIÓN
Los equipos electrónicos apoyan su realización, sobre un circuito impreso y, tal vez, sea
difícil concebir la utilización de componentes, como transistores y circuitos integrados.
sin el auxilio de las placas de circuito impreso.
Nuestro objetivo es dar a conocer algunos aspectos sobre las características y utilización
de circuitos impresos como:
• Selección
• Diseño
• Realización del circuito impreso.
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Para realizar una placa de circuito impreso o PCB (Printed Circuit Board) existen un gran número de
técnicas, como por ejemplo:
• Realizar el dibujo de las pistas con rotulador indeleble tipo Eddign 3000
• Utilizar láminas transferibles (parecido a las letras adhesivas) pudiendo realizar la transferencia por
presión o térmicamente.
• Eliminación de cobre mediante máquinas CRC o microfresadoras.
• Añadir cobre.
• Técnica de insolación utilizando placas fotosensibles, que será el medio que vamos a utilizar y por
tanto explicar detenidamente.
El material utilizado para realizar circuitos impresos, se compone fundamentalmente del soporte y el
conductor.
Como soporte, se utiliza un aislante, tal como papel, fibra de vidrio, teflón, etc., a los cuales se les da
consistencia con un aglutinante del tipo fenólico, époxy, poliéster u otro.
El conductor es cobre electrolítico, el cual es adherido al soporte, prensándolo fuertemente con un
pegamento bajo acción de calor, o bien depositándolo por procesos electroquímicos.
Los distintos tipos de placas de circuito impreso se distinguen por el material del soporte, aglutinante,
número de capas cobreadas y también por el espesor del cobre; dando lugar a diferentes propiedades
mecánicas y eléctricas.
Para llevar a cabo el proceso de construcción de PCB mediante elementos fotosensibles necesitamos
disponer de los siguientes medios:
• Diseño impreso de la placa o fotolito
• Placa fotosensible
• Insoladora de luz actínica
• Revelador
• Atacador
• Elementos auxiliares para limpieza y acabado
Describiremos en detalle solamente los que nosotros disponemos como medios de fabricación.
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La norma UNE 20-621-85/3 establece que el material para placas de circuito impresos podrá ser:
b) Plancha de aglomerado con resina sintética o película de polímero recubiertos de resina de cobre.
Los hilos conductores se obtienen por eliminación selectiva de las partes no deseadas de lámina
conductora.
c) Plancha de aglomerado con resinas sintéticas o películas de polímero desnudas. Los hilos
conductores se obtienen por deposito selectivo de material conductor sobre el material base
desnudo.
La norma nos describe los materiales de fabricación y sus principales propiedades, que resumimos
seguidamente.
Placas rígidas de circuito impreso
Papel
con
resina
fenólica
Papel
con
resina
epoxi
Fibra
de vidrio
con resina
de poliester
Tejido
de vidrio
con resina
epoxi
Propiedades mecánicas
Regular
Regular
Buena
Buena
Muy buena
Propiedades eléctricas
Regular
Buena
Buena
Excelente
Muy buena
Comportamiento con la Tª de funcionamiento
Bueno
Regular
Bueno
Bueno
Muy bueno
Comportamiento con la Tª de soldadura
Bueno
Bueno
Bueno
Muy bueno
El comportamiento regular nos indica que en la mayoría de aplicaciones no dará problemas
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NORMAS BÁSICAS DE DISEÑO
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Normalización de las distancias entre contactos
Los fabricantes de componentes electrónicos para circuitos impresos la han establecido de la
siguiente forma:
•
Normas DIN: múltiplos de 2,5 mm.
•
Normas americanas: múltiplos de 2,54 mm o 100 mils (milésimas de pulgada).
La diferencia en pocos múltiplos es muy pequeña y por lo tanto, hace intercambiable generalmente, a
los componentes de ambas normas.
Plantilla de diseño de un
circuito
integrado
de
encapsulado DIL de 16 pines
según la norma americana
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1.
2.
Ejemplos
Si necesitamos conectar un circuito integrado de 14 pines, sabemos que la distancia entre pines
es de 100 mils ó 2’54 mm y que la distancia entre hileras de pines es de 300 mils o 7’62 mm. El
tener a mano una hoja de diseño como la descrita nos ahorra medir con regla y sólo necesitamos
contar cuadros de separación.
En un transistor de potencia con encapsulado tipo TO-3 los pines están situados según los
múltiplos que vemos en la figura adjunta.
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NORMAS BASICAS PARA EL DIBUJO DEL DISEÑO
Es conveniente tener en cuenta alguno criterios como los siguientes:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Grosor de las líneas
Grosor de los terminales
Diámetro de las perforaciones
Ubicación de las tierras
Tipos de unión
Ubicación de los componentes
ANCHURA DE LAS LINEAS QUE DEFINEN LAS PISTAS
El criterio de anchura depende directamente de la cantidad de corriente que va a circular
por las pistas del circuito impreso, espesor de la capa de cobre (18x10-3, 35x10-3, 70x10-3 ó
105x10-3 mm), temperatura de sobre elevación aceptada, temperatura ambiente de trabajo y
aspectos de rigidez según el componente correspondiente.
Las figuras siguientes nos determinan el máximo de
corriente admisible por ancho de pista según lo
establecido en la norma UNE 20-621-84/3.
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Espesor de la pista conductora: 18 um
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Espesor de la pista conductora: 35 um
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Espesor de la pista conductora: 70 um
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Espesor de la pista conductora: 105 um
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GROSOR DE LOS TERMINALES
Este depende, a su vez, de la corriente que entra o sale, lo cual determina el hilo o cable a usar.
También se debe considerar el esfuerzo mecánico a que está sujeto el terminal para evitar su
desprendimiento. Es frecuente usar entre 2 y 4 mm como diámetro del cobre para taladros entre 1 y 2
mm.
DIÁMETRO DE LAS PERFORACIONES
Los taladros en los circuitos impresos dependen, lógicamente, del componente a utilizar, aunque de
forma general, se hacen de 0’8 a 1,2 mm.
La norma UNE 20-621-84/3 recomienda los siguientes diámetros nominales y tolerancias:
Ø nominal del taladro (mm)
Tolerancia (mm)
0’4
0’5
0’6
0’8
0’9
± 0’05
1’0
1’3
1’6
2’0
± 0’1
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DISTRIBUCIÓN DE COMPONENTES
La parte más difícil en el diseño de una placa de circuito impreso es la ubicación
adecuada de los componentes. Algunas reglas de criterio eléctrico ayudarán
bastante.
a) Evitaremos colocar elementos de potencia directamente sobre la PCB,
tales como resistencias de alta potencia, transistores de potencia, etc., que
deben ir colocados en un chasis o bien térmicamente aislado de la placa.
b) La distribución de los componentes deberá facilitar el reconocimiento de
los mismos, lo que se consigue, generalmente, con una distribución estética
de los mismos. No siempre el circuito impreso implica solución para el
montaje; deben descartarse los componentes que por volumen, peso o
requisitos eléctricos, hagan peligrar la estabilidad mecánica, térmica o
eléctrica de la placa de circuito impreso.
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Recomendaciones para el trazado de pistas
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RESISTENCIA DE LAS PISTAS CONDUCTORAS
El gráfico muestra la relación entre la anchura, el espesor, la temperatura y la resistencia por cada 10
mm de longitud de pista de cobre con resistividad 1’8 x 10-6 cm, según la norma UNE 20-621-84/3
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n
ó
i
ac
t
n
se
re
p
a
l
e
d
Fin
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