Fabricación de Circuitos Impresos (PCB)

Al diseñar un proyecto o prototipo electrónico, primero se debe probar, a partir de un boceto aproximado de un diagrama esquemático, armándose en una placa de pruebas o protoboard. 
Cuando funcione correctamente, se  dibujará el diagrama esquemático final, ya sea a mano, o en computador, usando programas especializados como el proteus, eagle o Pspice (yo, por su facilidad, uso el LiveWire y PCB WIZARD). 
 Posteriormente se diseña y fabrica el circuito impreso (PCB), y para finalizar, se montan los componentes en la tarjeta, para finalmente colocarlo en un chasis o gabinete, que le dará una presentación final a nuestro proyecto. 



Placa de pruebas o protoboard

La placa de pruebas (en ingles protoboard), es una herramienta de estudio en la  electrónica, que permite interconectar los componentes electrónicos; ya sean resistencias, condensadores, semiconductores, etc, sin necesidad de soldarlos en un impreso, permitiendo así, hacer infinidad de pruebas de manera fácil, alcanzando la optimización deseada del circuito.

La placa de prueba está compuesta por segmentos plásticos con perforaciones y láminas delgadas de una aleación de cobre, estaño y fósforo, las cuales pasan por debajo de las perforaciones, creando una serie de líneas de conducción paralelas. Estas líneas están distribuidas; unas en forma transversal y otras longitudinalmente. Las líneas transversales están interrumpidas en la parte central de la placa, para facilitar la inserción de circuitos integrados tipo DIP (Dual Inline Packages), y que cada pata del circuito integrado, tenga una línea de conexión por separado. En la cara opuesta de la placa, trae un forro con pegante, que sirve para sellar y mantener en su lugar las láminas metálicas.
Al momento de hacer un circuito en el protoboard, se utilizan las láminas transversales para interconectar los componentes y las longitudinales para su alimentación.





El protoboard es una placa de pruebas que debe ser usada sólo en circuitos de poca corriente (1 ó 2 A max).
Si el circuito a realizar requiere más corriente de la que soporta el protoboard, se utiliza una placa de pruebas especial, que es una placa de cobre perforada y con islas de cobre para cada perforación.

En este tipo de placas se deberan soldar los componentes y los cables de la forma que desee.






El diagrama esquemático (schematic)

Cuando el circuito está funcionando a la perfección en el protoboard, se procede ha realizar el diagrama esquemático. Esto consiste en dibujar el circuito, utilizando los símbolos electrónicos. Se puede hacer a mano, o en el computador, utilizando programas como el Proteus, workbench, Pspice, Eagle, etc. Los diagramas e impresos pueden ser dibujados en Corel draw, programa de creación de gráficos vectoriales, el cual da una excelente resolución a la hora de imprimir. Yo, por su facilidad, uso el Proteus o LiveWire y PCB WIZARD.

Nota: Es necesario tener un buen conocimiento de simbología electrónica, para hacer el diagrama esquemático sin errores.


Ejemplo a mano


Ejemplo por computador




Diseño y fabricación de circuitos impresos

El material más usado para la fabricación de circuitos impresos es la baquelita (en ingles Bakelite), un feno-plástico resistente al calor y a los solventes
También se usa la fibra de vidrio con resina de poliéster, en la fabricación de circuitos impresos. Esta es mas costosa, pero de mejor calidad y presentación.
Cualquiera de estos dos materiales, llevan un baño de cobre en una o en ambas caras. La función del cobre es conducir la electricidad. 

Al momento de hacer un circuito impreso, la tarjeta, ya sea en baquelita o en fibra de vidrio, el cobre de esta, tendrá la forma de “caminos”, los cuales interconectarán los componentes que irán en la tarjeta. 

  


Técnicas para la fabricación de los circuitos impresos

Existen diferentes técnicas para la fabricación de los circuitos impresos (PCB). Dependiendo de nuestro presupuesto y objetivo, escogemos la técnica que más nos convenga.
Las técnicas más conocidas son:
• Elaboración de circuitos impresos con tinta indeleble
• Elaboración de circuitos impresos con la técnica de planchado (papel termo transferible, impresión láser)
• Elaboración de circuitos impresos con la técnica de serigrafía.

Elaboración de circuitos impresos con tinta indeleble


La forma más económica de hacer circuitos impresos es usando la técnica con tinta indeleble. Solo necesitamos un marcador o plumón de tinta indeleble.
Lo primero es dibujar las pistas del circuito sobre la tarjeta, en la cara bañada en cobre. Luego, se sumerge la tarjeta en una solución corrosiva, (cloruro férrico), disuelto en agua caliente. Esta solución corroe la superficie de cobre, dejando sólo el cobre que está cubierto por la tinta del plumón. Para finalizar se perforan con un taladro los orificios donde entrarán las patas de los componentes y listo. 
Esta técnica por ser netamente manual y con una calidad de impresión regular, se recomienda para hacer circuitos de mediana complejidad, para principiantes o aficionados a la electrónica, que desean realizar pequeños proyectos a muy bajo costo.


Circuitos impresos elaborados con la técnica de planchado


En este caso se utiliza un papel termo transferible, que es un material utilizado en la elaboración de circuitos impresos de cualquier tipo. Gracias a este papel podemos traspasar a la placa de cobre virgen, el diseño del circuito impreso que hayamos hecho (haya sido hecho a mano o computador), de manera fácil, rápida y económica, para luego introducirla en un recipiente con cloruro ferrico, obteniendo así el circuito impreso deseado. Se pueden usar algunos papeles gruesos, usados en dibujo, como el papel glossy, papel para fotografía o papel propalcote de unos 120 gramos.


Para empezar debemos hacer el circuito del diseño impreso. Este no es otra cosa que el dibujo de las pistas de cobre. El diseño del circuito impreso que hagamos deberá corresponder a las pistas de cobre vistas por “transparencia” desde la cara de los componentes (modo espejo). 


Teniendo hecho el diseño del circuito en el computador, lo imprimimos en alta resolución sobre el papel termo transferible, usando una impresora láser. Se imprime sobre cualquier cara del papel, ya que las dos caras son iguales. Si la imprimimos en un tipo de impresora diferente a láser, el papel termo transferible no servirá (las impresoras láser se reconocen porque utilizan Toner en vez de cartuchos o cintas). Si poseemos el diseño del circuito impreso en una hoja de papel común y corriente o fue hecho a mano, debemos sacar una fotocopia de este, sobre el papel termo transferible. Las fotocopiadoras utilizan el mismo sistema de impresión que las impresoras láser.
Una vez tengamos el diseño del circuito impreso sobre el papel termo transferible, lo recortamos usando unas tijeras o un bisturí, dejando una margen que nos permita manipularlo. El papel termotransferible restante lo podremos guardar para la elaboración de futuros circuitos impresos.

Ahora se debe cortar la baquelita con el cobre virgen a la medida del circuito impreso y posteriormente lavarla por el lado del cobre con jabón desengrasarte de lavaplatos y una esponja de ollas no abrasiva. Seque muy bien la baquelita con un trapo muy limpio o preferiblemente una servilleta desechable. La placa de cobre deberá estar seca, brillante como el oro y limpia de polvo y grasa, además usted No deberá tocar la superficie de cobre con los dedos o cualquier otra cosa.

A continuación colocamos la baquelita sobre una superficie dura, con el lado del cobre mirando hacia arriba. Luego colocamos el papel termo transferible con el diseño del circuito impreso sobre la placa de cobre, de tal manera que el dibujo haga contacto el cobre. Ahora colocamos una hoja de papel común y corriente, sobre el papel termo transferible.

Finalmente haciendo uso de una plancha casera a temperatura máxima, (pues nuestra experiencia nos ha mostrado, que a pesar de que en las instrucciones que vienen con el papel termotransferible dicen que debe se temperatura media, si la temperatura no es bastante alta, el toner no se adhiere bien al cobre de la baquelita), Planchamos durante 10 minutos sobre la parte impresa del papel termo transferible, haciendo énfasis en los bordes y el centro de la placa.

Nota: dependiendo de la marca del papel termo transferible, Cambia la temperatura de la plancha. Algunas personas usan papeles de dibujo, que exigen más calor. Para estos es necesario usar la plancha al máximo de su calor.




Transcurridos los 10 o 15 minutos de planchado y observando que el papel se adhirió bien al cobre, se deja enfriar un instante y se introduce la placa con el papel termo transferible adherido, en una cubeta con agua fría dejándola sumergida un mínimo de 5 minutos. Al cabo de este tiempo revise que el papel esté bien húmedo. Esto se nota porque el papel se va haciendo algo transparente y se alcanza a ver la tinta del dibujo a tras luz.




Después de el tiempo recomendado o en el momento que vemos que el papel esta bien húmedo, retiramos suavemente con la yema de los dedos, el papel termotransferible de la superficie de cobre. Secamos la placa por el lado del cobre y revisamos que no hallan restos de fibras de papel o gelatina adheridos a la superficie del cobre donde no debe haber. Estos restos de papel pueden eliminarse frotando muy suave con la yema de los dedos teniendo la placa sumergida en el agua. Antes de pasar a la siguiente fase, la placa deberá estar seca y libre de fibras de papel no deseadas.

En algunos casos al desprender el papel, se levantan partes del dibujo, echándose a perder el trabajo. Esto sucede por varios factores: Cuando no lavamos bien la placa virgen por el lado del cobre, dejando grasa que evita la buena adherencia del toner, la mala calidad del papel utilizado para este proceso. Cuando vaya a comprar el papel, revise que sea grueso, de material fino y liso. La temperatura de la plancha también influye en el agarre del dibujo en el cobre.
Si esto sucede puede repetir el proceso de planchado, pero si sólo son pequeños detalles, los que se han dañado, puede usar un plumón indeleble para retocarlos a mano y así evitarse repetir todo el proceso.


Una vez la imagen está adherida al cobre y hemos retocado cualquier defecto que haya quedado, se deberá introducir la placa de cobre en un recipiente no metálico que contenga cloruro ferrico disuelto en agua caliente (lo suficiente para cubrir toda la placa de cobre). La función del cloruro ferrico es la de disolver el cobre que no está cubierto con tinta, dejando al final las pistas de cobre que forman el circuito. Entre menos tiempo tenga que durar la placa de cobre en el cloruro ferrico la calidad del circuito impreso final será mejor, por esto debemos agitar el recipiente, con la placa de cobre sumergida en el cloruro ferrico, para que de esta manera el químico pueda disolver mas rápido el cobre de la placa.


Placa a la que le falta disolver cobre


Después de que el cloruro ferrico haya consumido todo el cobre sobrante, procedemos a sacar la placa del recipiente y a retirar la tinta con thinner y un trapo, quedando las pistas de cobre. Como paso final se lava la placa nuevamente con esponjilla y jabón desengrasante de lavaplatos, para dar mayor presentación al circuito impreso final. Puede usar  una esponjilla abrasiva de acero para pulir el impreso y darle brillo. Revise a contra luz el circuito impreso, y cerciórese que no hayan quedado pistas colisionadas. De ser así utilice una cuchilla o bisturí para retirar el cobre sobrante.

Perfore todos los orificios por los cuales entraran las patas de los componentes que irán en la tarjeta. Utilice un mototool o un taladro pequeño con brocas de 1/16, 1/32 o las que sean requeridas, dependiendo del componente a colocar.

Ahora está listo para ser ensamblado, colocando todos los componentes. Ya que este método no permite la impresión de la mascara antisoldante, se recomienda darle una mano de esmalte transparente a las pistas de cobre, para evitar que se oxiden.

Después de hacer varios impresos con la técnica de planchado, se va mejorando la calidad del impreso. Es importante resaltar que la técnica de planchado no es una técnica industrial, es tan artesanal como la anterior, pero de mejor calidad, así que no se puede pedir demasiado. A pesar de ser menos económica que la elaboración de impresos con tinta indeleble, por el costo del papel termo transferible, está al alcance de los estudiantes o aficionados a la electrónica.

Para lograr un mejor acabado de los impresos, es mejor usar técnicas industriales como la serigrafía (screen), que logra un terminado excelente, sin contar con la máscara de componentes y máscara antisoldante (solder mask UV) que le dan un mejor acabado, velocidad de ensamble y gran durabilidad.

Circuitos impresos elaborados con la técnica de serigrafía  

La serigrafía es una técnica que permite imprimir imágenes sobre cualquier material. Básicamente es transferir una tinta a través de una malla de seda templada en un marco de madera. La seda ha sido tratada previamente con una emulsión que bloquea el paso de la tinta en las áreas donde no habrá imagen, quedando libre la zona donde pasará la tinta. Este sistema de impresión se usa para imprimir muchas cantidades, sin perder definición.
La técnica de producción de circuitos impresos con serigrafía se usa industrialmente, ya que se pueden obtener impresos de muy buena calidad y a muy bajo costo. Una vez se tienen revelados los marcos de seda o mas conocidos como bastidores, se pueden realizar múltiples copias del mismo diseño. Esto permite la producción en serie de circuitos impresos.  Aunque no deja de ser  un procedimiento manual esta técnica es una de las más  usadas, ya que permite obtener trabajos con la calidad y presentación necesarias, para la realización de prototipos electrónicos y/o aplicaciones en la industria.

Materiales 

• Acetatos con el diseño del circuito impreso, máscara de componentes y máscara antisoldante
• Seda Nº 90 y Nº 120 (hilos) con su respectivo marco o bastidor
• 90% emulsión nacional universal o atlas verde y revelador 10%
• Solvente (activador) o PREGASOL EP 3
• Espuma floral
• 1 vidrio de 4 o 5 milímetros de espesor, con las mismas dimensiones que el interior del bastidor.
• Pintura antisoldante (solder mask UV)
• Pintura UV blanca y verde
• 1 espátula de plástico (Racleta o rasero)
• Hipoclorito o Varsol para rendir la tinta
• Cloruro férrico
• Thinner
• Resina Colofonia
• Soda cáustica
• Cloro domestico
• Recipiente de plástico adecuado para el baño de las tarjetas
• Bombillo de rayos UV o photoflood
• Trozos de tela y estopa

Acetatos


Para hacer los acetatos con el diseño del circuito impreso, máscara de componentes y máscara antisoldante, se debe imprimir en un sitio donde tengan maquina de quemado de planchas fotomecánicas. No sirve hacerlo en impresora láser, ya que si no es una impresora de muy buena calidad, pueden quedar poros que luego se pasarán también a la placa. 
El bastidor

 El bastidor es un marco de madera construido con listones de 3 x 3 centímetros, perfectamente cuadrado, que soporta una seda fina, muy templada y sin arrugas, que al colocarlo cobre una superficie plana, apoya uniformemente. La seda debe quedar bien templada y sin arrugas. Esta seda se pega al marco usando una grapadora, reforzándola con cinta de enmascarar y pegante. 

Se deberían hacer tres bastidores: 

•Uno para el circuito impreso con seda de 120 hilos, ya que entre mas detalle se requiera, la cantidad de hilos debe ser mayor.
• El segundo bastidor es para la mascara de componentes  
•El tercero es para la mascara antisoldante (solder mask UV), este debe ser de 90 hilos.

 Por comodidad y practicidad, se puede usar un bastidor de 120 hilos para hacer las tres impresiones.


Emulsión  

 Después de tener los bastidores listos, en un cuarto donde no entre demasiada luz, se mezclan 9 partes de emulsión por 1 de bicromato o revelador hasta que sea uniforme. Se debe mezclar  lentamente, ya que si se hacen burbujas, se puede estropear el revelado. 
Luego se esparce a lo largo y ancho de la seda usando un emulsionador. 

Se debe aplicar tres capas de emulsión: Una capa por el lado de posterior del bastidor y dos por el frente. La emulsión se debe aplicar de forma uniforme sobre la seda, teniendo en cuenta que no queden espacios sin emulsión o burbujas. 
En caso de no conseguir un emulsionador, puede usar una racleta o Rasero, que no es otra cosa que una espátula del ancho del marco, con borde de caucho.



Luego secamos la seda con la emulsión utilizando un secador de pelo que ayuda a minimizar el tiempo de secado. 
Recuerde que la emulsión es fotosensible, por esto se debe hacer el proceso lo más rápido posible.
Una vez seca la emulsión, se coloca el acetato con los diseños sobre la seda del lado posterior del bastidor y se fijan con cinta transparente. Todos los acetatos van al revés, es decir, por el lado contrario al que se verá el impreso cuando esté hecho. Tenga mucho cuidado en este procedimiento, ya que de esto depende que los circuitos impresos queden bien o deba repetir todo el trabajo, perdiendo material y tiempo.
Revelado de la emulsión 


Se utiliza una mesa de revelado que podemos construir con un cajón de madera, al cual le colocamos en el fondo, a unos 50 centímetros del vidrio superior, un reflector, con un bombillo de luz ultravioleta o rayos UV. Este puede ser un bombillo de reflector de calle de 250W.




Le damos la vuelta al bastidor con los acetatos, le colocamos una espuma delgada, luego le colocamos un vidrio que cubra la totalidad de la seda y para terminar le colocamos peso encima, evitando que haya una separación entre los todos estos elementos.

Todo esto lo exponemos a la luz durante 13 minutos. En el caso de no tener un reflector, se puede exponer la seda a la luz de una lámpara o foco de gran intensidad, usando un bombillo (Photoflood) a 15 centímetros de distancia, por un tiempo de 2 minutos y medio. 


Después de exponer el marco a la luz, inmediatamente cubrimos la seda y la llevamos a una fuente de agua a presión, para enjugarla por ambos lados. Después de unos cuantos segundos se observa como la seda revela el dibujo del circuito impreso, a medida que se cae la emulsión de las zonas donde no entró la luz por el cubrimiento que daba el acetato. El revelado es idéntico, conforme al diseño.

Una vez revelada la seda la secamos con el secador de pelo durante 10 minutos y estará lista para imprimir cuantas tarjetas queramos. El secado de la emulsión se distingue porque el brillo disminuye al secar.




Impresion de las pistas en la tarjeta

Procedemos a cortar la tarjeta al tamaño del circuito impreso, teniendo en cuenta de dejar un pequeño borde de unos 5 milímetros que sirve como margen a la hora de imprimir. La baquelita se debe calentar antes de cortar para facilitar el corte y evitar que se parta. Puede usar un formón bien afilado y una regla de metal e ir marcando varias veces, hasta que la baquelita corte.
Colocamos el bastidor sobre una superficie plana, dura y uniforme, fijándolo con unas prensas de bisagra, que permitan levantarlo fácilmente sin que se corra de posición. Colocamos la baquelita exactamente debajo del dibujo del circuito impreso con las pistas y la ajustamos con cinta adhesiva o colocándole unos topes construidos de la misma baquelita, para que al imprimir no se corra de sitio. Colocamos el marco encima de la baquelita, dejándolo al menos unos 5 milímetros levantado de la baquelita, puede usar un pequeño trozo de madera. Luego aplicamos la tinta UV o en su defecto pintura de polietileno, por la parte de encima de la seda, haciendo un camino en la parte anterior al dibujo, para luego trazar con la espátula (Rasero o Racleta), el diseño del circuito impreso sobre la superficie de las tarjetas. Este proceso no es sencillo la primera vez y deberá practicarlo hasta que el impreso le que de perfecto.

Debe ser impecable, sin corrimientos o manchas que perjudiquen el impreso.









Después de hacer todas las impresiones deseadas es necesario limpiar la seda de la tinta acumulada, ya que de lo contrario se taparía la seda, estropeándola. Para esto utilizamos varsol con una estopa y limpiamos la seda. Si se desea eliminar el circuito impreso de la seda y habilitarla para otro diseño, utilice cloro o thinner para remover el circuito plasmado en la seda.
Ahora procedemos a dejar secar las tarjetas antes de seguir con el revelado.

Las tintas apropiadas para hacer la impresión sobre baquelita, son aquellas que no se deshacen o corren al momento de sumergir la tarjeta en el acido de revelado. En la industria de fabricación de impresos se usan tintas que secan a la exposición de los rayos ultravioletas, por su gran resistencia a los solventes. Para esto hay que hacer un horno de rayos UV, que puede fabricarse de manera casera usando un reflector de calle de unos 400W a 500W, y una caja metalica, aunque puede ser de madera sin problemas. Los bombillos que se usan en los reflectores de iluminación exterior, emiten rayos ultravioleta en pocas cantidades. Estos son suficientes para secar la pintura UV. Se debe dejar la baquelita impresa al menos unos 10 minutos en el hormo. Antes de pasar al revelado del cobre.  


Una vez seca la tinta se procede a bañar las tarjetas en cloruro ferrico. La acción corrosiva del cloruro férrico actúa sobre las superficies que no están cubiertas por tinta, obteniendo así el circuito impreso. Puede usar una cubeta de plástico y con sus manos agite el cloruro con solo una tarjeta a la vez, hasta que esta haya perdido el cobre sobrante y proceda con la tarjeta siguiente.
Cuando ya vemos que todo el cobre sobrante se ha removido de la tarjeta, la retiramos del cloruro férrico y procedemos a eliminar la tinta que protegió las pistas de la corrosión, lavando primero la tarjeta con agua, retirando el cloruro férrico, luego se sumerge en soda cáustica disuelta en agua durante un minuto y se cepilla hasta que se haya caído toda la pintura. posteriormente se lava nuevamente con agua, hasta retirar la soda cáustica. Seque muy bien las tarjetas.
Si los pasos anteriormente descritos se hacen meticulosamente, se obtiene una tarjeta o circuito impreso de calidad y buena presentación.
A continuación se perforan todos los agujeros de las tarjetas, usando un taladro de árbol o un mototool. Se deben tener brocas de diferentes calibres, ya que las patas de los componentes tienen diferentes diámetros.
La máscara antisoldante (Solder mask UV), se aplica sobre las pistas, de la misma manera que el procedimiento usado al aplicar la pintura para la elaboración de las pistas del circuito impreso. Esta pintura es costosa. Protege las pistas de cobre, contra el óxido y posibles corto circuitos, además de darle al impreso una muy buena presentación.
Una manera económica de hacer pintura antisoldante es mezclando Barniz Dieléctrico con unas gotas de tinte verde de origen vegetal. Después de aplicar la pintura, usando el bastidor que previamente hicimos con el acetato correspondiente, se seca, utilizando un horno de rayos ultra violeta (UV).
 La pintura antisolder es de secado a los rayos UV, por lo que se deben hornear las tarjetas unos 10 minutos.
Para imprimir la máscara de componentes, se coloca cada tarjeta por el lado contrario al de las pistas y con el bastidor que previamente revelamos con el acetato de esta máscara, trazamos con la pintura UV, con tinta de poliuretano o de polietileno de color blanco, todas las tarjetas, teniendo en cuenta que deben coincidir los orificios de las tarjetas con los dibujos de los componentes.
La pintura usada industrialmente para hacer la máscara de componentes también es de secado a los rayos UV, por lo que se deben hornear las tarjetas unos 10 minutos. 
Si su presupuesto es bajo, puede usar pintura de poliuretano, que es muy resistente, aunque no tanto como la pintura UV. Sin embargo puede obtener un resultado aceptable con esta pintura.
 Ahora que tenemos los circuitos impresos terminados, debemos aplicarles, por el lado de las pistas, una mezcla de resina colofonia y thinner, para  evitar la oxidación de las pistas de  cobre, además da un acabado a la plaqueta mas brillante. También al momento de soldar, disminuye la tensión superficial del estaño y la temperatura de fusión, evitando así el deterioro de los componentes y terminales. Esta mezcla recibe el nombre de  contacflux

Después de hacer todas las impresiones deseadas es necesario limpiar la seda de la tinta acumulada, de lo contrario se taparía la seda, estropeándola. Para esto utilizamos varsol con una estopa y limpiamos la seda. Si se desea eliminar el circuito impreso de la seda y habilitarla para otro diseño, utilice cloro o thinner para remover el circuito plasmado en la seda. 


Nota: El tiempo de revelado de la seda y de secado de las tarjetas cambia dependiendo de la calidad de la tinta, del tipo de fuente de luz UV que utilice y distancia de esta luz al exponer las tarjetas. Recomendamos hacer pruebas hasta encontrar los tiempos, que se demore, tanto el revelado, como el secado de las pinturas, según los elementos que tenga.