Catto / Mapa de Temas · Tecnología Electrónica 5to nivel
Tecnología Electrónica · 120 h · Contenido 7 de 9

Tecnología constructiva

Una pista externa de 35 μm de cobre que lleva 3 A calentándose 10 °C necesita 1,37 mm de ancho; en una capa interna, 3,56 mm. Dentro de la placa el calor sale peor.

Circuito impreso FR-4 Ancho de pista IPC-2221 Grado de protección IP

01El circuito impreso

El circuito impreso es a la vez el soporte mecánico y el cableado de un equipo. Se fabrica sobre un laminado: el más común es el FR-4, tela de fibra de vidrio con resina epoxi, que se especifica por su temperatura de transición vítrea (Tg), su permitividad y su espesor, típicamente 1,6 mm. Para microondas se usan laminados de PTFE o cerámicos, de pérdidas más bajas y permitividad más estable. El cobre se especifica en onzas por pie cuadrado: 1 oz equivale a unos 35 μm.

Una placa puede tener una, dos o muchas capas. En las multicapa, las capas internas se graban por separado y se prensan con láminas de resina (prepreg); los planos internos de alimentación y masa dan un retorno de baja inductancia y blindaje. Los dibujos y las normas de representación se vieron en entornos de diseño asistido.

02La fabricación

EtapaQué se hace
PerforadoAgujeros de componentes y vías, con mecha o láser para las microvías
MetalizadoCobre químico y electrolítico en las paredes de los agujeros
Fotolitografía y grabadoUna película fotosensible define las pistas y el ácido quita el cobre sobrante
Máscara antisoldanteBarniz que cubre el cobre salvo en las islas; evita puentes de soldadura
AcabadoProtege las islas: estaño nivelado con aire (HASL), níquel y oro por inmersión (ENIG) o recubrimiento orgánico (OSP)
Serigrafía y ensayoLeyendas de componentes y prueba eléctrica de continuidad y aislamiento

El fabricante publica sus reglas de diseño: ancho y separación mínimos de pistas, diámetro mínimo de perforación, anillo de cobre alrededor de cada agujero y distancia al borde. El diseño se le envía como archivos Gerber o ODB++, con el archivo de perforaciones.

03El ancho de las pistas

Una pista se calienta por efecto Joule y el calor tiene que salir al aire o al laminado. La norma IPC-2221 da una relación empírica entre la corriente, el aumento de temperatura admitido y la sección de la pista:

\[ I = k\,\Delta T^{0{,}44}\,A^{0{,}725} \] \( I \) en amperes, \( \Delta T \) en °C y \( A \) en mil² (milésimas de pulgada al cuadrado), con \( k \) = 0,048 para capas externas y 0,024 para internas. La norma IPC-2152 reemplazó esas curvas por otras basadas en mediciones más completas; las de IPC-2221 siguen usándose como estimación rápida y suelen ser conservadoras.
Laboratorio · ancho de una pista

El ancho que pide IPC-2221 en función de la corriente, para una capa externa (azul) y una interna (violeta), con el espesor de cobre y el calentamiento elegidos. El panel da también la resistencia y la caída de tensión en 10 cm de pista a 20 °C.

04Aislamiento, impedancia y calor

Entre conductores con tensiones distintas hay que respetar dos distancias: la distancia en el aire (clearance), que evita el arco, y la línea de fuga (creepage), medida sobre la superficie, que evita la conducción por suciedad y humedad. Las normas de seguridad, como IEC 62368-1, las fijan según la tensión, el grado de contaminación y el tipo de aislamiento; una ranura fresada en la placa alarga la línea de fuga.

En las señales rápidas, la pista y el plano de masa forman una línea de transmisión —microtira en capas externas, línea de cinta en las internas— cuya impedancia depende del ancho, del espesor del dieléctrico y de su permitividad; los fabricantes la controlan a pedido, típicamente 50 Ω. Para sacar el calor de un componente se usan planos de cobre y vías térmicas que lo conducen a la cara opuesta o a un disipador.

El equipo termina en un gabinete, que se especifica por su grado de protección según IEC 60529: la primera cifra indica la protección contra sólidos, de 0 a 6, y la segunda contra el agua, de 0 a 8. Un gabinete IP65 es hermético al polvo y soporta chorros de agua.

05En el laboratorio

Actividad 1 · Calentamiento de una pista

Hacer circular corrientes crecientes por pistas de distintos anchos de una placa de prueba y medir su temperatura con una termocupla o una cámara térmica; comparar con IPC-2221.

Actividad 2 · Reglas de diseño

Cargar en la herramienta de diseño las reglas de un fabricante y correr la verificación sobre una placa del curso.

Actividad 3 · Impedancia

Calcular el ancho de una microtira de 50 Ω sobre FR-4 de 1,6 mm y verificarlo con un reflectómetro.

06Errores frecuentes

  • Dimensionar una pista interna como si fuera externa. Necesita más del doble de ancho para el mismo calentamiento.
  • Ignorar la caída de tensión. Una pista que no se calienta puede igual perder decenas de milivoltios.
  • Olvidar las líneas de fuga en la zona de red. Las distancias de seguridad no son las del fabricante de la placa.
  • Diseñar sin las reglas del fabricante. Una separación imposible de fabricar se descubre recién al pedir la placa.

07Autoevaluación

¿Qué ancho pide IPC-2221 para 1 A en una capa externa de 1 oz con 10 °C de calentamiento?

Unos 0,30 mm, 12 mil.

¿Qué pasa con el ancho si se usa cobre de 2 oz?

Se reduce a la mitad: la sección necesaria es la misma.

¿Qué diferencia hay entre distancia en el aire y línea de fuga?

La primera se mide en línea recta por el aire; la segunda, siguiendo la superficie del aislante.

¿Qué indica IP67?

Hermético al polvo y protegido contra la inmersión temporal en agua.

08Para ampliar

  • Clyde F. Coombs y Happy T. Holden (eds.). Printed Circuits Handbook. 7.ª ed., McGraw-Hill, 2016. La referencia sobre materiales, fabricación y diseño de circuitos impresos.
  • Howard Johnson y Martin Graham. High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic. Prentice Hall, 1993. Las pistas como líneas de transmisión y los planos de masa.
  • Eric Bogatin. Signal and Power Integrity — Simplified. 3.ª ed., Prentice Hall, 2018. La impedancia de las pistas, los planos y la distribución de la alimentación.
Desarrollo del contenido «Tecnología constructiva» de Tecnología Electrónica (quinto nivel), según el diseño curricular de Ingeniería Electrónica, Plan 2023 — Ordenanza N° 1849 del Consejo Superior de la UTN. Volver al Mapa de Temas · catto.ar