Tarjetas de circuitos impresos
La placa es donde el circuito deja de ser una idea y pasa a tener resistencia, capacidad, inductancia y temperatura. Dos placas con el mismo esquema pueden funcionar perfecto una y ser un desastre la otra: la diferencia está en cómo se dibujaron.
01Qué es una placa por dentro
Un sustrato aislante con cobre pegado encima. El más común es el FR-4: fibra de vidrio con resina epoxi, de 1,6 mm de espesor, con una lámina de cobre de 35 µm (lo que la industria llama «una onza») en una cara o en las dos.
| Capa | Qué es | Dato práctico |
|---|---|---|
| Sustrato | FR-4, a veces baquelita (FR-2) en placas económicas | 1,6 mm es el estándar; hay de 0,8 y 2,4 mm |
| Cobre | 35 µm (1 oz) típico; 70 µm en placas de potencia | Define cuánta corriente lleva una pista de dado ancho |
| Máscara antisoldante | Barniz que cubre todo menos las islas | Evita puentes de estaño y protege el cobre de la oxidación |
| Serigrafía | Texto y contornos impresos | Designadores, marca del pin 1, polaridad, versión de la placa |
| Acabado de las islas | HASL (estaño) o ENIG (oro sobre níquel) | ENIG es más plano y mejor para SMD fino; HASL es más barato |
| Vías | Perforaciones metalizadas | 0,3 mm de taladro con 0,6 mm de isla es un valor seguro en cualquier fábrica |
02Del esquema a la placa
El programa importa la netlist del esquemático y coloca todas las huellas juntas, unidas por líneas rectas finas que indican qué debe conectarse con qué: es el ratsnest, la «telaraña». A partir de ahí, el trabajo es colocar y rutear.
- Definir el contorno de la placa y la posición de los elementos fijos: conectores, agujeros de montaje, componentes que asoman por el panel.
- Colocar el resto agrupando por bloques funcionales, siguiendo el flujo del esquema y poniendo los capacitores de desacople pegados a cada integrado.
- Rutear primero la alimentación y la masa, después las señales críticas, y al final el resto.
- Verter los planos de cobre y verificar con el DRC (chequeo de reglas de diseño).
- Revisar en 3D e imprimir en 1:1 para comprobar huellas y alturas.
La regla que resume todo: si la colocación está bien, el ruteo sale solo. Cuando rutear se vuelve un rompecabezas, la solución casi nunca es insistir con las pistas: es mover componentes.
03Reglas de diseño
Ancho de pista según la corriente
La pista es un conductor con resistencia: se calienta. El ancho se elige para que ese calentamiento sea aceptable, y la referencia es la norma IPC-2221.
| Ancho | Corriente admisible | Uso típico |
|---|---|---|
| 0,25 mm (10 mil) | ≈ 0,9 A | Señales, entradas de alta impedancia |
| 0,5 mm (20 mil) | ≈ 1,4 A | Alimentación de circuitos lógicos |
| 1,0 mm (40 mil) | ≈ 2,3 A | Alimentación general de una placa |
| 2,0 mm (80 mil) | ≈ 3,8 A | Salidas de potencia, relés |
| 3,0 mm (120 mil) | ≈ 5 A | Entrada de fuente, cargas grandes |
Valores para pistas exteriores con cobre de 35 µm y un aumento de temperatura de 10 °C. Las pistas interiores de una placa multicapa admiten aproximadamente la mitad. Cuando hace falta más, se ensancha la pista, se duplica en las dos caras o se le quita máscara y se le agrega estaño.
- Entrada de red y primario: pistas de 2 mm, con 3 mm de separación respecto de cualquier pista de baja tensión.
- Salida de 5 V y su retorno: 1 mm como mínimo; conviene 1,5 mm y lo más cortas posible.
- Señales de realimentación y del circuito de control: 0,25 mm alcanza y sobra.
- El capacitor de salida, lo más cerca posible del regulador, y su masa al mismo punto que la del capacitor de entrada.
Entre pistas a potencial de red y el resto del circuito hay que respetar las distancias de las normas de seguridad: del orden de 2,5 a 4 mm en aire y sobre la superficie del sustrato, más todavía si hay riesgo de suciedad o humedad. En placas con optoacoplador de aislación es habitual fresar una ranura debajo del componente para aumentar la distancia superficial. Nada de esto es opcional ni ajustable «porque no entra».
Masa, desacople y retorno
Verter cobre en toda el área libre y conectarlo a masa da menos impedancia, mejor disipación y menos interferencia. En una placa de dos caras, la práctica habitual es rutear las señales por arriba y dejar la cara de abajo como plano de masa lo más entero posible.
Toda corriente que va, vuelve, y en alta frecuencia vuelve justo debajo de la pista de ida. Si el plano de masa está cortado por otra pista, la corriente de retorno debe rodear el corte: se forma un lazo, y ese lazo irradia y capta ruido. Por eso no se corta el plano de masa con pistas largas.
- Un capacitor de 100 nF pegado a los pines de alimentación de cada integrado, con la pista más corta posible.
- La masa analógica y la digital se unen en un solo punto, cerca de la entrada de alimentación.
- Los cristales, con sus capacitores, lo más cerca posible del microcontrolador y con masa debajo.
- Nada de ángulos de 90° en las pistas: se usan dos tramos de 45°. En baja frecuencia es sólo prolijidad; en alta, importa.
- Agujeros de montaje con isla de masa si el gabinete es metálico y va puesto a tierra.
- Puntos de prueba en las señales que se van a medir: ahorran horas de reparación.
04Fabricación
| Método | Cómo | Alcance |
|---|---|---|
| Transferencia térmica | Se imprime el ruteo en papel satinado con tóner y se plancha sobre el cobre; el tóner protege y se ataca el resto | Pistas de 0,5 mm en adelante. Barato, es el método clásico de taller. |
| Fotosensible | Placa con emulsión, transparencia con el diseño, insoladora UV, revelado y ataque | Llega a 0,25 mm y da mejor definición, pero necesita más equipo. |
| Fresado CNC | Una fresa retira el cobre alrededor de las pistas | Sin químicos y muy rápido para prototipos, pero no metaliza las vías. |
| Industrial | Se envían los Gerber a la fábrica | Dos caras metalizadas, máscara, serigrafía y perforado. Hoy es tan accesible que rara vez se justifica hacerlas a mano, salvo por el aprendizaje o por el tiempo de espera. |
- Un archivo Gerber por capa: cobre superior, cobre inferior, máscara de cada cara, serigrafía de cada cara y contorno de placa.
- El archivo de taladros (Excellon), con diámetros y posiciones.
- Opcionalmente, el archivo de posición de componentes y la BOM, si además se pide el armado.
- Antes de enviar: abrir los Gerber en un visor —no en el programa que los generó— y revisarlos capa por capa. Es el último control posible.
El percloruro férrico mancha de manera permanente, ataca los metales y no se tira por la pileta. Se trabaja con guantes, antiparras, ventilación y recipientes plásticos, y el líquido agotado se neutraliza y se dispone como residuo especial. Lo mismo vale para el ácido y el agua oxigenada, que además liberan gases.
05Montaje y soldadura
Patas que atraviesan la placa. Fácil de soldar a mano y de reparar, mecánicamente robusto; ocupa las dos caras y limita la densidad. Es lo indicado para conectores, componentes de potencia y todo lo que reciba esfuerzo mecánico.
Componentes soldados sobre islas, sin perforar. Mucho más chico, más barato en volumen y mejor en alta frecuencia. Se suelda con pasta y aire caliente o en horno de reflow. Los tamaños 1206 y 0805 se sueldan a mano sin dificultad; 0402 ya requiere buena vista y buena pinza.
| Defecto de soldadura | Aspecto | Causa |
|---|---|---|
| Soldadura fría | Opaca, rugosa, con forma de bolita | Poco calor o movimiento durante el enfriado. Es la falla intermitente por excelencia. |
| Puente | Estaño uniendo dos islas | Exceso de estaño o punta sucia. Se quita con malla desoldadora. |
| Isla levantada | El cobre se despegó del sustrato | Demasiado tiempo con el soldador. Es un daño permanente de la placa. |
| Tombstone | Un SMD parado de punta | Islas desparejas o calentamiento asimétrico en reflow. |
| Falta de estaño | Isla apenas mojada | Sin fundente, o cobre oxidado. |
Brillante, cóncava y con forma de volcán, mojando tanto la isla como la pata. Ni bolita ni montaña. La punta del soldador toca isla y pata a la vez durante uno o dos segundos, después entra el estaño, y recién entonces se retira: primero el estaño, después el soldador. El fundente es lo que permite todo eso, y por eso el estaño con alma de resina se llama así.
06En el laboratorio
Pasar a placa el esquema de la fuente ya dibujada. Definir contorno y agujeros de montaje, colocar los componentes, rutear alimentación primero, verter plano de masa y correr el DRC. Comparar el resultado con el de un compañero: mismos componentes, dos placas muy distintas.
Imprimir el diseño en escala 1:1, apoyar encima los componentes reales y verificar cada huella, la separación entre encapsulados y que los conectores queden accesibles. Anotar cuántos errores aparecieron: siempre aparece alguno.
Imprimir en papel satinado con la mayor densidad de tóner, planchar sobre el cobre limpio, retirar el papel con agua y atacar con percloruro. Perforar con mecha de 0,8 y 1 mm. Verificar la continuidad de todas las pistas con el óhmetro antes de soldar nada.
Sobre una placa de prueba, hacer tres pistas de 0,25, 0,5 y 1 mm de igual longitud. Hacer circular 1 A por cada una y medir la caída de tensión y la temperatura (con termómetro infrarrojo o simplemente al tacto). Comparar con la tabla de la sección 3.
Sobre placa de descarte, practicar diez soldaduras THT y evaluarlas con lupa: brillo, forma y mojado. Después provocar a propósito una soldadura fría y un puente, e identificarlos. Por último, desoldar un integrado con malla y con bomba de vacío.
07Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| El componente no entra en su huella | Huella equivocada o no verificada. Se detecta imprimiendo en 1:1 antes de fabricar. |
| La placa funciona pero se calienta una pista | Ancho insuficiente para la corriente. Reforzar con estaño o rediseñar. |
| El circuito digital falla de manera aleatoria | Faltan capacitores de desacople, o están lejos del integrado. |
| Ruido y oscilaciones raras en la parte analógica | Plano de masa cortado, lazos de retorno grandes, o masas analógica y digital unidas en varios puntos. |
| Las vías quedaron sin contacto | Placa casera de dos caras sin metalizar: hay que remachar o soldar un alambrito en cada vía. |
| La fábrica devuelve el diseño | Se violaron sus reglas mínimas: ancho, separación, anillo de vía o distancia al borde. Cada fábrica publica sus límites: hay que cargarlos en el DRC antes de rutear. |
| El conector quedó a 2 mm de la ventana del gabinete | No se verificó el conjunto en 3D contra el modelo mecánico. |
| Falla intermitente que aparece con el calor o los golpes | Soldadura fría. Se encuentra revisando con lupa y presionando cada componente mientras el equipo funciona. |
08Autoevaluación
¿Qué es el ratsnest y qué se hace con él?
La telaraña de líneas finas que muestra, sobre las huellas recién importadas, qué pines deben quedar conectados según la netlist. No son pistas: son la guía para colocar y rutear.
¿Qué ancho de pista hace falta para 2 A en cobre de 35 µm?
Aproximadamente 1 mm (40 mil) para un aumento de temperatura de 10 °C. Con 1,5 o 2 mm se trabaja más tranquilo, sobre todo si la pista es larga.
¿Por qué el capacitor de desacople va pegado al integrado?
Porque su función es entregar corriente instantánea en cada conmutación. La inductancia de una pista larga arruina ese efecto: el capacitor tiene que estar a milímetros de los pines de alimentación.
¿Qué significa que la corriente de retorno «sigue» a la pista de ida?
Que en alta frecuencia el retorno por el plano de masa circula justo debajo de la pista, porque es el camino de menor inductancia. Si el plano está cortado, la corriente debe rodear el corte y se forma un lazo que irradia y capta ruido.
¿Qué archivos se le mandan a una fábrica de placas?
Los Gerber —una capa por archivo: cobres, máscaras, serigrafías y contorno— y el archivo de taladros. Si además se pide el armado, la BOM y el archivo de posición de componentes.
¿Por qué se revisan los Gerber en un visor externo?
Porque muestra exactamente lo que la fábrica va a leer, no lo que el programa de diseño cree haber exportado. Es el último control antes de gastar dinero y semanas de espera.
¿Qué distancia hay que dejar entre pistas de red y de baja tensión?
Del orden de 2,5 a 4 mm, según la norma de seguridad aplicable, y más si hay humedad o suciedad. En placas con aislación por optoacoplador se fresa además una ranura debajo del componente.
¿Cómo se reconoce una soldadura fría?
Es opaca y rugosa, con forma de bolita en vez de cóncava, y no moja bien la isla. Produce fallas intermitentes que aparecen con la temperatura o con las vibraciones.
¿Qué ventaja tiene el SMD frente al THT, más allá del tamaño?
Que sus terminales son mucho más cortos: menos inductancia parásita, mejor comportamiento en alta frecuencia y desacople más efectivo. Además, no ocupa la cara opuesta y permite montar componentes en las dos caras.
Rutear se volvió imposible: quedan diez conexiones cruzadas. ¿Qué conviene hacer?
Volver a la colocación. Casi siempre alcanza con girar o mover dos o tres componentes para que las conexiones se desenreden solas. Insistir con las pistas suele terminar en una placa llena de vías y de rodeos.