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.
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
| Etapa | Qué se hace |
|---|---|
| Perforado | Agujeros de componentes y vías, con mecha o láser para las microvías |
| Metalizado | Cobre químico y electrolítico en las paredes de los agujeros |
| Fotolitografía y grabado | Una película fotosensible define las pistas y el ácido quita el cobre sobrante |
| Máscara antisoldante | Barniz que cubre el cobre salvo en las islas; evita puentes de soldadura |
| Acabado | Protege las islas: estaño nivelado con aire (HASL), níquel y oro por inmersión (ENIG) o recubrimiento orgánico (OSP) |
| Serigrafía y ensayo | Leyendas 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:
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
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.
Cargar en la herramienta de diseño las reglas de un fabricante y correr la verificación sobre una placa del curso.
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.