¿Qué son las tarjetas de circuito impreso PCB? CACTUSTRONICA

¿Qué son las tarjetas de circuito impreso PCB?

Las tarjetas de circuito impreso PCB si las comparamos con el cuerpo humano, tiene la misma función que el sistema nervioso y el esqueleto humano, con esto quiero decir que sirven para transmitir información entre sus partes y también sirven como soporte de los componentes.

En primer lugar una de sus funciones principales es servir de camino de comunicación entre los componentes electrónicos como son los sensores, los leds y una gran variedad de partes, tal y como funciona nuestro sistema nervioso que sirve para comunicar al cerebro con los demás órganos del cuerpo.

La tarjeta también sirve para conectar los componentes electrónicos y que se puedan comunicar y mandar señales entre sí.

En ocasiones también tienen un sistema central de control de información parecido al cerebro y se le conoce como procesador, este procesador es el que analiza la información y toma las decisiones de acuerdo a la programación que se le ha echo.

Adicionalmente también una segunda función es parecida a la del esqueleto y cuerpo humano, ya que la tarjeta permite mantener unidos a los componentes en un solo cuerpo.

Las tarjetas de circuito impreso son la base indispensable de prácticamente todos los equipos electrónicos que se han construido en la actualidad.

Probablemente llevas contigo una o dos tarjetas de circuito impreso todos los días y ni siquiera te haz dado cuenta, pero todos los teléfonos celulares contienen al menos una tarjeta y algunos relojes de mano también tienen una.

Además están en todas partes, las podrás encontrar en los radios, televisiones, computadoras, hornos de microondas, en los focos de led, impresoras, automóviles, aviones, helicópteros, barcos, etc., los podemos encontrar en prácticamente todas partes.

Las tarjetas PCB también son la parte central de toda la electrónica en el mundo, ya que son la parte que une a todos los componentes electrónicos, también por sus pistas de cobre fluyen las señales y la corriente eléctrica que mueve al mundo.

Es por eso que en los próximos meses vamos a hacer una explicación de toda la electrónica tomando en cuenta las tarjetas PCB como eje central de nuestra explicación, ya verás como todo en la electrónica tiene algo que ver con las tarjetas PCB

Quieres aprender más, continúa leyendo o revisa el índice de los temas que vamos a abordar.

INDICE

¿Qué significa PCB?

Las letras en ingles PCB, significan Printed Circuit Board o tarjeta de circuito impreso, es el nombre con el que se conoce normalmente a las tarjetas electrónicas en la mayoría de los países, sin embargo para algunas personas y en algunos países de Asia, las PCB tienen un significado diferente que en el continente americano, por ejemplo en Japón a las tarjetas que solamente contienen el circuito impreso y aún no se le han ensamblado los componentes algunas empresas le dicen PWC o Printed Wired Board lo que se puede traducir como Tarjeta de Cable Impreso y ellos entienden que una PCB es una tarjeta ensamblada con componentes.

Sin embargo en el continente americano y gran parte del resto del mundo se le conoce como PCB a las tarjetas que no tienen componentes ensamblados y se les conoce como PCBA a las tarjetas ensambladas porque en inglés serían Printed Circuit Board Assembly o Ensamble de tarjetas de Circuito impreso.

Así que dependiendo de con quien estés hablando, es recomendable que aclares si solamente quieres una tarjeta electrónica sin componentes o ya quieres los componentes ensamblados.

Historia y origen de las tarjetas de circuito impreso.

Las primera vez que se patentó el concepto de una tarjeta plana de material aislante que contiene conductores (pistas de metal) en varias capas fue concebida por el inventor alemán Albert Hanson en 1903.

Por supuesto que era una idea muy básica y diferente a lo que ahora conocemos.

Posteriormente el ingeniero Paul Eisler en 1936 modificó y patentó la placa de circuito impreso como la conocemos hoy en día, sin embargo fue poco utilizada en la empresa donde la desarrollaron y tuvieron que pasar varios años hasta que llegó la Segunda Guerra Mundial y como en esos tiempos el desarrollo tecnológico más avanzado lo tenían los ejércitos, era de esperarse que el ejercito de EE.UU. fuera de los pocos que empezaron a utilizar bastante las tarjetas y no quiero decirte en qué las usaban.

Llegados los años cincuenta del siglo pasado el conocimiento empezó a incorporarse a las empresas y a los productos comerciales, se empezaron a utilizar las tarjetas de manera masiva y poco a poco cada vez más productos empezaron a utilizar las tarjetas hasta el día de hoy donde las tarjetas han evolucionado con el correr de los años, pasaron de tener pistas de cobre en un solo lado de la tarjeta a tener hasta en algunos casos cerca de 100 capas de cobre nuestros días

En algunos casos el material base ha cambiado a materiales muy resistentes como el aluminio o por otro lado materiales flexibles como el “polymed”; en fin, la historia de las tarjetas va evolucionando día con día.

Incluso ahora en los primeros años de la década del 2020, vemos innovaciones en las tarjetas cada seis meses, con materiales flexibles y expansibles en telas para ropa por mencionar solo algunas de las aplicaciones que se están desarrollando hoy en día.

¿Para qué sirven las tarjetas de circuito impreso PCB?

Las tarjetas de circuito impreso tienen dos funciones principales, la primera es conectar eléctricamente a dos o más componentes para que puedan transmitir señales eléctricas entre ellos y así juntos puedan realizar una tarea específica.

Te explico con un ejemplo, seguramente haz visto esos focos que tienen algunas casas que cuando te acercas por la noche se prende el foco al detectar tu presencia.

Solo como ejemplo te diré que ese producto cuenta con un sensor de movimiento y un “switch” para activar un foco, sin embargo ambos componentes solos no pueden transmitir la información ya que están separados físicamente, pero se pueden unir con una tarjeta PCB por medio de la cual el sensor de movimiento pasará la señal de que una persona está en las cercanía e inmediatamente esa señal pasará a otros componentes para en conjunto accionen el foco y ese intercambio de información se hace a través de las pistas de las tarjetas PCB.

Además de conectar eléctricamente a los componentes, también les da un soporte y estabilidad que unos simples cables no le pueden dar. (foto de circuito hecho con cables y otro con una PCB), es decir, la PCB también se convierte en el esqueleto que dará soporte a un equipo electrónico.

¿Dónde están las tarjetas electrónicas y quién las usa?

Te sorprendería saber hasta donde han llegado las tarjetas electrónicas.

Te reto a hacer una pausa y que veas a tu alrededor y trates de identificar al menos 5 productos que tengan una tarjeta electrónica en la habitación o lugar donde te encuentres.

¿Aceptas el reto? (Post solito, preguntas para redes sociales a partir de una foto)

Vamos a ser irreverentes, las tarjetas electrónicas las encuentras tanto en las naves espaciales, hasta en algunos retretes o incluso hay quienes los traen en el trasero con el objetivo de que resalte un poco su preciosidad jaja.

Ya hablando en serio, las tarjetas electrónicas hoy en pleno 2020, las podemos encontrar en prácticamente cualquier rincón del mundo con actividad humana, solo por mencionar los productos de la vida diaria que sean más familiares para ti empiezo a enumerar los primeros 10 que se me vienen a la cabeza, primero está el teléfono celular, las tablets,las computadoras, los ratones de computadora, los hornos de microondas, las televisiones, los radios, los focos leds, los tableros de los carros, el sistema de frenado de los carros, el sistema de luces de los automóviles, los semáforos, las antenas de telecomunicaciones, los aviones, los barcos, los equipos médicos de hospitales que se conectan a la electricidad, montones de equipos industriales, juguetes para niños, etc. si sigo nunca voy a terminar.

¿Cuáles son las partes de una tarjeta electrónica?

¿Qué tipos de tarjetas PCB existen?

En la actualidad existe una variedad de tarjetas que se pueden catalogar ya sea por el tipo de material en su centro o por el tipo de tarjetas, sin embargo en esta ocasión mostraremos 5 grupos de tarjetas los cuales se fabrican con diferentes materiales pero permanecen en el mismo grupo.

Rígidas.

Son las tarjetas más conocidas y ampliamente utilizadas, su característica principal es que la tarjeta puede ser generalmente de fibra de vidrio y son de color verde, pero también existen otras tarjetas con diferente material que también se le conocen como tarjetas rígidas, entre ellas se encuentran las tarjetas de material Rogers, Tacony, CEM1, CEM3, FR3, FR4 etc.

Las tarjetas FR4 se pueden fabricar con una capa de cobre y también es posible fabricarlas con 2, 4, 6, etc capas de cobre, incluso algunos diseños pueden alcanzar las 90 capas de cobre o más.

¿Y tú, hasta cuántas capas de cobre tiene tu diseño?

No te asustes, la gran mayoría de los diseños que se fabrican en el mundo son de dos y cuatro capas, solo mencioné lo de las 90 capas para que te des cuenta de lo mucho que nos hace falta avanzar en el desarrollo electrónico.

Pero seguramente en estos momentos de estarás preguntando, ¿quién usa 90 capas en sus diseños? bueno la respuesta la tienes en tu computadora de escritorio, tal vez haz visto algunos procesadores Intel o AMD, bueno, si los ves bien nuevamente, te darás cuenta de que tienen una tarjeta PCB en uno de sus lados, bueno pues algunos modelos de procesadores son los que requieren tarjetas con tantas capas de cobre.

Flexibles.

Las tarjetas flexibles como su nombre lo indica son tan suaves y delgadas que se pueden doblar incluso con componentes ensamblados también se doblan, estas tarjetas generalmente son fabricadas con material Polymed. La gran mayoría de las tarjetas se fabrican con dos capas de cobre pero hay quienes las hacen de 4 o más capas de cobre.

Estas tarjetas son ampliamente utilizadas en cámaras fotográficas profesionales, relojes inteligentes, sensores para guantes, etc.

El elaborar tarjetas flexibles es más caro que las tarjetas rígidas, por eso no son tan utilizadas como las otras tarjetas.

Metal core.

Las tarjetas metal core, o también conocidas como base o centro aluminio, como su nombre lo indican tienen metal en la base o en el núcleo.

Las tarjetas más conocidas son las tarjetas de aluminio, estas tarjetas las puedes encontrar en gran parte de las luminarias de tipo led, especialmente aquellas luminarias que tienen un brillo intenso y que se utilizan como reflectores.

Se utilizan tarjetas de base de aluminio para poder transmitir el calor generado por los leds y los transmite a la parte trasera de la tarjeta la cual es aluminio y si se requiere, se puede poner en contacto el aluminio con algún disipador de calor para evitar que la tarjeta llegue a una temperatura que pueda dañar los componentes.

Tarjetas Rígido-Flexibles.

Las tarjetas rígido-flexibles son una combinación de los dos primeros tipos de tarjetas, las rígidas y las flexibles, con esto se logra tener una parte flexible que se pueda estar doblando varias veces y también cuente con una parte rígida que permita que los componentes estén ensamblados sobre ella y no se desprendan por el movimiento constante de la parte flexible.

Este tipo de tarjetas las podemos encontrar también en cámaras profesionales de video, equipo automotriz, equipo aeroespacial y cada vez en más equipos wearables.

Este tipo de tarjetas por el momento son de las más caras de fabricar, así que se recomienda utilizarlas solo si ya se probó el diseño previamente en alguna tarjeta flexible o en alguna rígida.

Tarjetas con componentes embebido.

También existen tarjetas que dentro de su centro o dentro de sus capas en lugar de poner pistas de cobre se ponen pistas de material resistivo o material capacitivo, con esto se logra tener una resistencia o un capacitor dentro de la tarjeta y ya no es necesario soldar resistencias o capacitores a las tarjetas.

Este tipo de tarjetas se está utilizando en equipos que se están fabricando de forma masiva como algunos teléfonos celulares, sin embargo el desarrollo inicial de estas tarjetas es muy caro y solamente algunas fábricas de tarjetas las están haciendo.

¿QUÉ MÉTODOS DE PRODUCCIÓN EXISTEN Y CUÁL ME CONVIENE USAR?

Para crear las tarjetas existen diferentes métodos, si hablamos de las tarjetas más comunes de material FR4, existe una gran variedad de métodos, desde métodos caseros hasta métodos industriales, pero fuera de este tipo de tarjetas, es difícil fabricarlas en casa o en pequeños laboratorios, así que principalmente hablaremos de lo métodos de fabricación de tarjetas de material FR4.

Para producciones de Prototipos.

¿Cómo hacer prototipos de tarjetas de circuitos impresos.

Existen gran variedad de métodos tanto caseros, profesionales y también industriales.

El primero que te voy a platicar es el método casero con el menor costo.

El primer método es el conocido como el de planchado, en el cual el circuito se imprime en un papel diseñado para poder transferir el circuito que se imprima con tinta sobre el y lo transferirá a la placa de cobre por contacto directo y calor.

Este método es mejor para tarjetas de una sola capa ya que para tarjetas de dos capas el problema viene cuando se quiere alinear la segunda capa pues no se puede ver a través del papel y las perforaciones terminan no alineadas.

Para tarjetas de una capa y pistas muy gruesas y sencillas es recomendable.

No se recomienda para diseños de tarjetas de doble capa ni para diseños con circuitos de montaje superficial porque la mayoría de las veces el dibujo de las pistas muy delgadas no se transfiere bien y al ser muy delgadas las líneas son difíciles de reparar a mano.

Método de producción con CNC.

Una CNC es una máquina parecida a un taladro automatizado, el cual puede moverse en 3 ejes, X, Y y Z, osea, “X” a la izquierda, a la derecha, “Y” adelante, atrás, “Z” arriba y abajo.

Con una máquina de este tipo es posible generar las pistas mucho más precisas que con el método de planchado, sin embargo también tiene varias limitantes, la primera es que la mayoría de las máquinas tipo CNC no están diseñadas para fabricar tarjetas de dos capas, por lo cual al momento que demos la vuelta a la tarjeta para fabricar la segunda capa, la máquina tomará como un hecho que la tarjetas se volteó perfectamente alineada a la parte de enfrente, pero eso no es algo real ya que las tarjetas normalmente las cortamos a mano o les queda alguna rebaba y aunque sea muy pequeña, es suficiente para que no se realice una alineación perfecta y el resultado es que las perforaciones no van a coincidir perfectamente.

Otro de los problemas es que dependiendo del modelo de CNC tienen una precisión adecuada para hacer las tarjetas con la definición que se requiere y otras no, por ejemplo:

Es muy común que las pistas de cobre se diseñen hasta de 0.2 milímetros de ancho pero algunas personas las diseñan hasta 0.1 milímetro de ancho, entonces algunas máquinas CNC pueden hacer el trabajo y otras no simplemente porque su precisión no es tan fina.

Lo mejor del mercado son unas CNC hechas específicamente para la fabricación de tarjetas de circuito impreso, pero su precio es muy elevado, estoy hablando de unos 8 o 10 mil dólares americanos. Este tipo de equipos tiene un sistema de visión incluido con el cual la máquina puede detectar si la tarjeta está o no alineada y automáticamente hace las correcciones correspondientes para fabricar la siguiente capa en la parte posterior.

Método de producción con impresora 3D.

De lo más moderno que conocemos para la elaboración de prototipos de tarjetas electrónicas PCB son las impresoras de tarjetas 3D, actualmente conocemos 3 empresas que hacen este tipo de equipos, imprimen principalmente resina de fibra de vidrio y un material conductivo que no es cobre pero es parecido y sirve para hacer las funciones del cobre, de tal manera que con un solo click del mouse, puedes poner a fabricar tu prototipo en tu escritorio.

La mala noticia es que en pleno 2020 son equipos muy nuevos y muy muy caros.

Digamos que el modelo más caro que te puede hacer una tarjeta multicapa vale el equivalente a una camioneta de lujo, si no sabes cuánto es eso, ni preguntes, es muy caro para ti y para mi.. jaja

Bueno, después vienen dos versiones más económicas pero que no dejan de ser caras para la mayoría de los diseñadores, también pueden fabricar tarjetas multicapa en unas cuantas horas pero su precio ronda los 5 mil dólares.

Así que la recomendación es que tienes que tener a un familiar rico que te patrocine una de estas máquinas porque hoy en día solo universidades y empresas se pueden darse el lujo de tener estos equipos en sus oficinas y sí le podrían sacar muy buen beneficio pues el tiempo de desarrollo pasaría a unas cuantas horas en lugar de semanas.

Fabricación de prototipos por método industrial.

Por último el mejor método que no lleva tanto en el mercado es el de fabricación de prototipos con método industrial, este tipo de métodos se ha utilizado desde hace muchos muchos años, sin embargo las fábricas de PCB les convenía atender a clientes grandes porque el mercado de aficionados a la electrónica o Makers y estudiantes de electrónica era muy pequeño, pero en años recientes como llegó el movimiento Makers, se ha logrado tener una cantidad importante de usuarios de tarjetas electrónicas de tal manera que apenas al rededor del 2010~2015 abrieron sus puertas las primeras empresas en el mundo que fabrican tarjetas para prototipos con calidad industrial a muy bajo costo.

Aquí la diferencia con todas las demás empresas de tarjetas es que tuvieron que configurar todas sus máquinas y procesos para poder fabricar muchos diseños diferentes en volumen pequeño y que fuera rentable.

Aunque esto lo comento en una línea de texto, pero fue un trabajo titánico dentro de estas empresas y es algo que no se pueden permitir los fabricantes grandes.

Entonces existen fabricantes que atienden a prototipos y fabricantes que atienden a empresas medianas y grandes.

La ventaja de hacer las tarjetas con un fabricante experto es que el diseño estará libre de errores, tu ya no tendrás que hacer la inversión en materia prima, maquinaria, etc. y podrás llegar a fabricar diseños mucho más complejos de los que podrías hacer con tus propias herramientas.

Producción mediana

Después de hacer tus prototipos ¿quiéres hacer una producción de 50 o 100 tarjetas y lo quieres hacer tu mismo?

Mi recomendación es que si realmente lo estás pensando, DETENTE !!! no lo hagas !!

El fabricar 50 o 100 tarjetas con plancha va a resultar en un trabajo descomunal principalmente al momento de reparar las tarjetas y al hacer las perforaciones, además de que las perforaciones las vas a hacer con taladro en una tarjeta de fibra de vidrio y estarás respirando la fibra de vidrio lo cual es muy muy y repito muuuy dañino para tu salud.

También requiere que pases varios días haciendo ese trabajo y dependiendo de la complejidad del circuito podrían ser hasta una o dos semanas.

Por último quiero que entiendas lo siguiente, si el negocio que estás haciendo no te va a dejar el suficiente dinero como para mandar a fabricar las 50 o 100 tarjetas con un fabricante profesional, entonces ese negocio no vale la pena hacerlo.

Créeme, ganando tres centavos por cada tarjeta no va a salir ni para comprar una cerveza y para dar el salto de vender 100 tarjetas a diez mil tarjetas, se requiere un trabajo titanico en áreas que normalmente desconoces como ventas, marketing y administración de empresas.

La recomendación es que para producciones medianas, utilices las fábricas de tarjetas profesionales, con ellos no tendrás que hacer inversión alguna en maquinaria, no tendrás que dedicar semanas o meses aprendiendo a como hacer una máquina adicional, más bien tu objetivo es concentrarte en crear tu producto y encontrar un cliente que te pague mucho por ese producto.

Ese es el trabajo en el cual te tienes que concentrar, en terminar rápido el producto y encontrar ese tipo de cliente que te pagará mucho por tu producto.

El hacerte de herramientas y maquinaria para hacer tus tarjetas a bajo costo es un error de muchos principiantes, me pasó a mi hace años y te comparto esta experiencia para que no desperdicies tu dinero ni tu tiempo.

Enfoca tus recursos económicos y tu tiempo en mejorar tu diseño, no en reinventar la rueda.

Respecto a los otros métodos de producción que te mencioné anteriormente, consideramos que solo son buenos para hacer tarjetas en volumen pequeño o de prototipo. Si vas a hacer un producto y llegará a un cliente final, entonces ya debes de entregar un muy buen producto con la mejor calidad que puedas y eso incluye utilizar tarjetas que tengan mascara antisoldante, que estén probadas de que no tienen corto circuitos ni pistas abiertas.

Además las tarjetas que nos entregan las fábricas contienen un terminado superficial en color plateado el cual es estaño y este facilita el ensamble de componentes, entonces será mucho más fácil y rápido ensamblar en tarjetas industriales que en tarjetas caseras, esto también se ve reflejado en que las tarjetas tendrán menos fallas por ensamble, pruébalo y dime si es o no cierto.

Producción alta

Como te mencioné en la parte de prototipos, existen empresas profesionales que hacen tarjetas con calidad industrial y en volumen de prototipo pero también hay empresas que hacen tarjetas en volumen más grande.

Tanto empresas que atienden a volumen de prototipo como volumen grande, ambas tienen sus ventajas, a veces la ventaja es que las empresas que fabrican volumen grande pueden fabricar las tarjetas más económicas que la empresa que fabrica en volumen de prototipo, esto es porque tiene su fábrica configurada para fabricar más volumen en menor precio. Sin embargo el precio del prototipo es muy caro en estas fábricas, así que te recomendamos que al llegar al volumen mediano o grande, solicites una cotización con alguna empresa de tu localidad para que compares los precios y te sorprenderás de que a veces las empresas de prototipos de 5 USD resultan ser bastante caras cuando el volumen ya es grande.

Partes de una tarjeta PCB desde el punto de vista del diseño.

Material base o aislante.

A muy grandes rasgos las tarjetas solo son un material aislante el cual puede ser por ejemplo la fibra de vidrio, la mascara antisoldante y el rotulado de componentes y también contienen un material conductor el cual son las pistas de cobre.

Sin embargo la forma en la cual se dibuja el diseño final del cobre es lo que creará diferentes usos y es lo que voy a describir a continuación.

Pistas de cobre.

Hablando del cobre, podemos hablar de las pistas que son las líneas que conectan a los componentes de un lado de la tarjeta al otro.

Las pistas pueden ser utilizadas para enviar información normalmente a niveles de 3 a 5 volts, y por otro lado hay pistas que son un poco más gruesas o mucho más gruesas y pueden conducir mucha energía ya sea para alimentar a la misma tarjeta o incluso controlar motores muy grandes y a estas pistas se les conoce como pistas de potencia.

Básicamente la diferencia visualmente es que las pistas que contienen información son delgadas y las pistas por donde pasa mucha energía son gruesas.

Después tenemos lo que son las perforaciones, las hemos dividido en dos tipos, las perforaciones que están cubiertas de cobre en la pared interior y las perforaciones que no están cubiertas de cobre.

Perforaciones metalizadas Throughole.

Las perforaciones que tienen cobre en su interior sirven para comunicar las señales eléctricas desde la parte de una capa hasta otra capa, normalmente comunican a las capas superior con la capa inferior de cobre, pero también es posible comunicar a las capas internas con capas externas con las perforaciones que se le conocen como perforaciones metalizadas o perforaciones throughole lo cual significa a través del agujero.

Throughole es el nombre que se utiliza en la lengua inglesa para las perforaciones metalizadas.

Existen más tipos de perforaciones que se utilizan para facilitar diseños más complejos y si quieres saber más, dale click aquí en este post de tipos de perforaciones si quieres saber más.

Pads de perforaciones.
Pads de componentes throughole.
Pads de componentes SMD
Planos de tierra
Contorno de tarjeta.
Perforaciones
Vías.
Vias en pad

Al rededor de las perforaciones metalizadas o through hole, vienen un aro o dona de cobre, el cual se conoce como anillo anular o pad de la perforación.

Este pad redondo como una dona existe para facilitar la fabricación de la tarjeta y que se tenga continuidad eléctrica a través del agujero.

También existe gracias a que en esos pads es donde se soldan los componentes.