Circuito impreso para niños
En el mundo de la electrónica, una placa de circuito impreso (también conocida como PCB, por sus siglas en inglés) es como el "cerebro" o el "esqueleto" de muchos aparatos electrónicos. Es una superficie especial que tiene caminos o "pistas" hechas de material conductor, como el cobre. Estas pistas están pegadas sobre una base que no conduce la electricidad.
La función principal de una placa de circuito impreso es conectar diferentes componentes electrónicos entre sí. Las pistas de cobre permiten que la electricidad viaje de un componente a otro. Además, la base de la placa sostiene los componentes en su lugar. Estas bases suelen estar hechas de materiales como fibra de vidrio reforzada, plástico o cerámica.
Algunas placas especiales son flexibles. Se fabrican con materiales como el celuloide y tienen pistas de pintura conductora. Esto es útil cuando se necesitan conectar partes que se mueven, como en algunas cámaras o auriculares.
La fabricación de las placas de circuito impreso y el montaje de sus componentes se pueden hacer de forma automática. Esto hace que sean más económicas y confiables para producir muchos aparatos. Sin embargo, para hacer prototipos (primeras versiones de un producto), a veces es más fácil usar otros métodos.
Las placas de circuito impreso no solo se usan en la electrónica. También se han utilizado en campos como la ingeniería biomédica. Sus capas de cobre pueden servir para crear sensores, como los que miden la presión, o pequeños calentadores. Incluso se usan en dispositivos para análisis de laboratorio muy pequeños, conocidos como "Laboratorio en un chip".
Existen organizaciones, como la IPC, que crean reglas y estándares para el diseño, la fabricación y el control de calidad de estas placas. Esto asegura que las placas sean seguras y funcionen bien.
Contenido
Historia de las Placas de Circuito
¿Quién Inventó la Placa de Circuito Impreso?
Se cree que el ingeniero austríaco Paul Eisler fue quien inventó el circuito impreso. Él fabricó una placa como parte de una radio en Inglaterra, alrededor de 1936.
Uso en la Segunda Guerra Mundial y Después
Cerca de 1943, en los Estados Unidos, esta tecnología se empezó a usar mucho. Fue importante para desarrollar radios resistentes que se usaron en la Segunda Guerra Mundial. Después de la guerra, en 1948, Estados Unidos permitió que esta invención se usara para fines comerciales.
Las placas de circuito impreso se hicieron muy populares en los aparatos electrónicos de uso diario a mediados de los años 1950. Esto ocurrió cuando la Marina de los Estados Unidos desarrolló un proceso llamado "autoensamblaje".
Métodos Antiguos de Conexión
Antes de las placas de circuito impreso, los componentes se conectaban "punto a punto" con cables. Para hacer prototipos o pocas unidades, a veces se usaba un método llamado wire wrap, que consistía en enrollar cables.
Al principio, los componentes electrónicos tenían pines (patitas) de metal que se insertaban en agujeros en la placa. Luego, estos pines se soldaban a las pistas de cobre. Este método se llama "agujero pasante" o through-hole. Con el tiempo, se desarrollaron técnicas para soldar automáticamente, pasando la placa sobre un baño de soldadura derretida.
Más tarde, surgió una nueva forma de montar componentes, llamada "tecnología de montaje superficial". Con esta, se eliminó la necesidad de perforar tantos agujeros, lo que redujo costos.
¿De Qué Están Hechas las Placas?
La mayoría de las placas de circuito impreso tienen varias capas conductoras, que pueden ser desde una hasta dieciséis. Estas capas están separadas y sostenidas por materiales aislantes, llamados sustratos, que están pegados entre sí. La cantidad de capas depende de cuántas conexiones se necesiten.
Las capas se pueden conectar entre sí a través de pequeños agujeros llamados "vías". Estos agujeros se recubren con cobre para que la electricidad pueda pasar de una capa a otra. Algunas placas de alta tecnología tienen "vías ciegas" (visibles solo por un lado) o "vías enterradas" (no visibles desde el exterior).
Materiales Comunes
- Para electrónica económica: Los sustratos de las placas más baratas, como las de algunos juguetes o aparatos sencillos, se hacen de papel impregnado con una resina especial. Son económicos y fáciles de trabajar.
- Para electrónica industrial y de alto costo: Las placas para aparatos más complejos o industriales suelen usar un material llamado FR-4. Este material es de fibra de vidrio con una resina que resiste el fuego. Es mucho más resistente que el material económico, pero también más caro.
- Para circuitos de radio de alta potencia: En estos casos, se usan plásticos especiales con propiedades eléctricas muy buenas, como el Teflón. Aunque pueden ser menos resistentes mecánicamente, son ideales para la señal de radio.
- Para el espacio: En lugares como las nave espaciales, donde no hay aire para enfriar, las placas a menudo tienen un centro grueso de cobre o aluminio. Esto ayuda a que el calor de los componentes se disipe.
Placas Flexibles
No todas las placas son rígidas. Algunas están diseñadas para ser flexibles, usando materiales como películas de poliamida. Estas se llaman "circuitos flexibles" o "circuitos rígido-flexibles". Son más difíciles de fabricar, pero muy útiles para ahorrar espacio (por ejemplo, dentro de cámaras o auriculares) o para conectar partes que se mueven, como el cable de un cabezal de impresora de inyección de tinta.
Propiedades Importantes
Las placas de circuito impreso deben tener ciertas características:
- Mecánicas: Ser lo suficientemente rígidas para sostener los componentes, fáciles de perforar y sin problemas al unir las capas.
- Químicas: Permitir que los agujeros se recubran con metal, ser resistentes al fuego y no absorber mucha humedad.
- Térmicas: Disipar bien el calor, no romperse con los cambios de temperatura y soportar el calor de la soldadura.
- Eléctricas: Tener pocas pérdidas de energía y una alta resistencia a la electricidad.
¿Cómo se Diseñan las Placas?
Normalmente, un ingeniero electrónico diseña el circuito, y luego un especialista se encarga de diseñar la placa de circuito impreso. El diseñador debe seguir muchas reglas para que la placa funcione bien y sea económica de fabricar.
Programas de Diseño Electrónico
Los diseñadores de placas usan programas especiales llamados EDA (Automatización de Diseño Electrónico). Estos programas les ayudan a organizar y conectar los componentes. Guardan la información del diseño, facilitan los cambios y automatizan tareas repetitivas.
El proceso de diseño suele seguir estos pasos: 1. Crear un esquema: Primero, el ingeniero dibuja un esquema del circuito. El programa convierte este esquema en una lista de conexiones. 2. Colocar componentes: Luego, se decide dónde irá cada componente en la placa. El programa puede ayudar a colocarlos automáticamente, o el diseñador puede hacerlo a mano para optimizar el rendimiento o la ubicación de botones y conectores. 3. Conectar las pistas: El programa intenta trazar las pistas de cobre que conectan todos los componentes. Algunas capas de la placa se dedican a la alimentación eléctrica y a la "tierra" (un punto de referencia para la electricidad), lo que ayuda a proteger el circuito del ruido. 4. Revisar y optimizar: Después de que el programa traza la mayoría de las pistas, el diseñador puede hacer ajustes manuales. El sistema también puede revisar el diseño para asegurarse de que todo esté conectado correctamente, que haya suficiente espacio entre las partes y que sea fácil de fabricar.
¿Cómo se Fabrican las Placas?
La mayoría de las placas se fabrican pegando una capa de cobre sobre el material base. Luego, se retira el cobre que no se necesita, dejando solo las pistas deseadas. Esto se hace aplicando una máscara temporal y luego usando químicos para "grabar" el cobre sobrante. Algunas placas tienen capas de pistas en el interior y se llaman "circuitos impresos multicapas".
Pasos Clave en la Fabricación
- Creación de patrones: Se puede usar serigrafía (como imprimir con tinta especial) o fotograbado (usando luz y químicos) para crear el patrón de las pistas de cobre. También se puede usar una fresadora mecánica para quitar el cobre.
- Grabado: Después de crear el patrón, se usan químicos (como el cloruro de hierro (III) o mezclas de ácido clorhídrico y peróxido de hidrógeno) para eliminar el cobre que no está protegido por la máscara.
- Perforado: Se taladran pequeños agujeros en la placa con brocas especiales de carburo de tungsteno. Estas perforaciones se hacen con máquinas automáticas. Para agujeros muy pequeños, a veces se usa un láser. Si la placa tiene varias capas, las paredes de los agujeros se recubren con cobre para conectar eléctricamente las capas.
- Estaño y máscara antisoldante: Las áreas donde se montarán los componentes se recubren con estaño u otro metal para que sea fácil soldar. Las áreas que no deben soldarse se cubren con una capa de polímero que evita cortocircuitos.
- Serigrafía: Se imprime texto y dibujos en la superficie de la placa. Esto puede incluir los nombres de los componentes, puntos de prueba o códigos de barras, lo que ayuda en el montaje y la reparación.
Montaje de Componentes
- Montaje "a través del orificio" (Through-hole): Los pines de los componentes se insertan en los agujeros de la placa y se fijan con soldadura.
- Tecnología de Montaje Superficial (SMT): Los componentes se sueldan directamente a la superficie de la placa, sin necesidad de agujeros pasantes.
Tecnología de Montaje Superficial (SMT)
Esta tecnología se desarrolló en los años 60 y se hizo muy popular en los 90. Los componentes se hicieron más pequeños y se diseñaron para soldarse directamente a la superficie de la placa. Esto permite que los aparatos sean mucho más pequeños y que se puedan montar componentes en ambos lados de la placa, aumentando la cantidad de elementos que caben. La SMT también permite una mayor automatización, lo que reduce los costos y acelera la producción.
Pruebas y Protección
- Pruebas: Las placas sin componentes se prueban para asegurar que todas las conexiones estén correctas. Se usan máquinas especiales que tocan las pistas de cobre y verifican la conectividad.
- Protección: Las placas que se usarán en ambientes difíciles (como en el espacio o lugares con mucha humedad) a menudo se recubren con una capa protectora. Esta capa evita la corrosión y los cortocircuitos.
Máquinas Usadas en la Fabricación
La fabricación de placas de circuito impreso a nivel industrial requiere muchas máquinas especializadas, como:
- Máquinas para perforar agujeros con control numérico.
- Máquinas para laminar las capas de la placa.
- Máquinas para iluminar y revelar los patrones de cobre.
- Máquinas para grabar el cobre sobrante.
- Impresoras para la serigrafía.
- Máquinas para pulir las placas.
- Prensas para unir las capas en placas multicapa.
Programas Populares para Diseñar Placas
Existen muchos programas de computadora que los ingenieros usan para diseñar placas de circuito impreso. Algunos de los más conocidos son:
- ExpressPCB
- OrCAD
- Proteus Design Suite
- Cadence Allegro
- KiCad
- Altium
- EAGLE
Galería de imágenes
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Parte de una placa base de una computadora de 1983: Sinclair ZX Spectrum
Véase también
En inglés: Printed circuit board Facts for Kids
