Tema 2 - diseño y calidad de circuitos impresos (2300)
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14/02/13 1 INTRODUCCIÓN A LAS PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO TEMA 2 [email protected] Circuito Impreso (PCB) 2 En electrónica, un circuito impreso o PCB medio para sostener mecánicamente componentes electrónicos, a través de conductor, grabados desde hojas de sustrato no conductor. (Printed Circuit Board), es un y conectar eléctricamente rutas o pistas de material cobre laminadas sobre un 1 14/02/13 Historia del Circuito Impreso 3 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. Circuito Impreso (PCB) 4 2 14/02/13 Circuito Impreso (PCB) 5 Circuito Impreso (PCB) 6 3 14/02/13 Circuito Impreso (PCB) 7 Circuito Impreso (PCB) 8 ¨ ¨ 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. 4 14/02/13 Producción Mundial de PCBs (2010) 9 Producción Mundial de PCBs (2010) 10 5 14/02/13 11 Ejemplo Evolución PCBs Ejemplo evolución PCBs 12 Zilog Z80 Spectrum (1982) i7 (2010) – 1366 pads 6 14/02/13 13 Evolución PCBs Ejemplo evolución PCBs 14 7 14/02/13 Ejemplo evolución PCBs 15 16 Ejemplo Evolución PCBs 8 14/02/13 Ejemplo evolución PCBs 17 Ejemplo evolución PCBs 18 9 14/02/13 Ejemplo de Evolución de PCBs 19 Componentes THDs y SMDs 20 ¨ THD: Through-Hole Device (componente de inserción) ¨ SMD: Surface Mount Device (componente de montaje superficial) 10 14/02/13 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 22 ¨ ¨ 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. 11 14/02/13 Número de Patillas 23 ¨ ¨ ¨ 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 DIP (Dual-inLine Package) 24 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 12 14/02/13 Single in Line (SIP) 25 ¨ 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) Small Outline (SO) 26 ¨ 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) SOJ SOIC TSSOP 13 14/02/13 THT vs SMD 27 Quad Flat Package (QFP) 28 ¨ 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 LCCC 14 14/02/13 Encapsulados Array 29 ¨ 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) PGA 30 BGA BGA Package 15 14/02/13 Módulos Multi-Chip 31 ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ 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) MCM 32 16 14/02/13 THT vs SMD 33 ¨ ¨ ¨ 34 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 THROUGH HOLE PACKAGES 17 14/02/13 Mixed 35 36 SMD 18 14/02/13 THT vs SMD 37 ¨ Limitaciones SMD ¤ Resistencia mecánica n n ¤ Problemas térmicos n n ¤ n ¨ ¨ Densidad de componentes Resistencia térmica Inspección y pruebas n ¨ Soldadura: soporte mecánico Diferencia en coeficiente de dilatación Tolerancias estrictas y dimensiones reducidas 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. Tipos de PCBs (Coombs) 38 19 14/02/13 Tipos de PCBs (Coombs) 39 ¨ Naturaleza física ¤ ¤ ¨ Estampado de los conductores: ¤ ¤ 40 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. 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. Discrete Wire Board 20 14/02/13 Tipos de PCBs (Coombs) 41 ¨ 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. Tipos de PCBs (Coombs) 42 ¨ Método de formación de los conductores: ¤ ¤ ¨ Número de capas: ¤ ¤ ¤ ¨ Sustractivo Aditivo 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. 21 14/02/13 Materiales Usados 43 ¨ El circuito impreso está formado básicamente por tres componentes: ¤ ¤ ¤ ¨ ¨ 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) ¤ ¤ ¤ 44 Resina Refuerzo Capa conductora 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 Glass Transition Temperature (Tg) 22 14/02/13 NEMA 45 Materiales Usados 46 ¨ ¨ ¨ ¨ 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. 23 14/02/13 Materiales Usados 47 Propiedades del Sustrato 48 ¨ 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 ¤ 24 14/02/13 Propiedades Físicas del Sustrato 49 ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ 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 Propiedades Eléctricas 50 ¨ ¨ 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. 25 14/02/13 Propiedades Eléctricas 51 ¨ ¨ 52 RESISTENCIA ELÉCTRICA: se mide en determinadas condiciones RESISTIVIDAD VOLUMÉTRICA RESISTIVIDAD SUPERFICIAL Fuerza eléctrica: Resistencia a cortocircuitos ante altos voltajes de corriente alterna. Ejemplos PCBs ¨ Una cara: ¤ ¤ ¤ ¤ ¨ Dos caras: ¤ ¤ ¤ ¤ ¨ Baratas Validas para circuitos sencillos Dificultad para controlar las emisiones electromagnéticas. Dificultad de controlar las impedancias. 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. 26 14/02/13 53 Ejemplos PCBs Ejemplos FR4 54 http://www.2cisa.com/index.php?com=info-tecnica3&active=null 27
