Tema 2 Introducción a las placas de circuito impreso

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Tema 2 Introducción a las placas de circuito impreso
1
INTRODUCCIÓN A LAS PLACAS
DE CIRCUITO IMPRESO
[email protected]
TEMA 2
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
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
Circuito Impreso (PCB)
5
Circuito Impreso (PCB)
6
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.
Producción Mundial de PCBs (2010)
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Producción Mundial de PCBs (2010)
10
11
Ejemplo Evolución PCBs
Ejemplo evolución PCBs
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Zilog Z80 Spectrum (1982)
i7 (2010) – 1366 pads
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Evolución PCBs
Ejemplo evolución PCBs
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Ejemplo evolución PCBs
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Ejemplo Evolución PCBs
Ejemplo evolución PCBs
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Ejemplo evolución PCBs
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Ejemplo de Evolución de PCBs
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Componentes THDs y SMDs
20
¨ 
THD: Through-Hole Device (componente de inserción)
¨ 
SMD: Surface Mount Device (componente de montaje superficial)
21
Encapsulado de componentes
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.
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)
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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
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
THD vs SMD
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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
Encapsulados Array
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¨ 
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
BGA
30
BGA Package
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
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MCM
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THT vs SMD
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¨ 
¨ 
¨ 
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
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THROUGH HOLE PACKAGES
Mixed
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37
SMD
THT vs SMD
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¨ 
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)
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Tipos de PCBs (Coombs)
40
¨ 
Naturaleza física
¤ 
¤ 
¨ 
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.
Estampado de los conductores:
¤ 
¤ 
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.
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Discrete Wire Board
Tipos de PCBs (Coombs)
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¨ 
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.
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Tipos de PCBs (Coombs)
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¨ 
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.
Materiales Usados
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¨ 
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:
¤ 
¤ 
¨ 
Resina
Refuerzo
Capa conductora
National Electrical Manufacturers Association (NEMA)
IPC-4101specification for base materials for rigid and multilayer boards
Glass Transition Temperature (Tg) (Temperatura de transición vítrea)
¤ 
¤ 
¤ 
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.
50
Glass Transition Temperature (Tg)
NEMA
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Materiales Usados
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¨ 
¨ 
¨ 
¨ 
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.
Materiales Usados
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Propiedades del Sustrato
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¨ 
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
¤ 
Propiedades Físicas del Sustrato
55
¨ 
¨ 
¨ 
¨ 
¨ 
¨ 
¨ 
¨ 
¨ 
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
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¨ 
¨ 
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.
Propiedades Eléctricas
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¨ 
¨ 
RESISTENCIA ELÉCTRICA: se mide en determinadas condiciones
RESISTIVIDAD VOLUMÉTRICA
RESISTIVIDAD SUPERFICIAL
Fuerza eléctrica: Resistencia a cortocircuitos ante altos voltajes de
corriente alterna.
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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.
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Ejemplos PCBs
Ejemplos FR4
60
http://www.2cisa.com/index.php?com=info-tecnica3&active=null
Videos
61
http://www.youtube.com/watch?v=x_ryyX27J_E
¨  http://www.youtube.com/watch?v=sIV0icM_Ujo
¨ 
¨ 
http://www.lab-circuits.com/es/
propietats_laminats.php

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