Guía paso a paso del proceso de fabricación de placas de circuito impreso (PCB)

Las placas de circuito impreso (PCB) son la base esencial de la electrónica moderna, proporcionando el soporte físico para los componentes y circuitos electrónicos. Entender los componentes y el proceso de fabricación de las PCBs es crucial para ingenieros, diseñadores y cualquier persona interesada en la electrónica.

Proceso de fabricación de PCBs

El proceso de fabricación de una placa de circuito impreso (PCB) pasa por múltiples etapas para convertir el diseño en un circuito profesional. Generalmente se lleva a cabo en instalaciones especializadas en fabricación de PCBs, utilizando técnicas como grabado, perforado, galvanizado e integrando la tecnología de Control Numérico Computarizado (CNC) para alta precisión.

La capa de cobre pasa por una serie de pasos múltiples. Se recubre con una película fotosensible, luego se expone a luz ultravioleta a través de una máscara que representa el patrón del circuito y, posteriormente, se desarrolla. Este proceso revela el patrón del circuito, permitiendo la eliminación selectiva del cobre mediante grabado químico. El resultado final es un patrón de circuito revelado en cobre, con agujeros perforados para los componentes de orificio pasante y vías, seguido de un recubrimiento para proteger el cobre y optimizar la conductividad.

El proceso de fabricación culmina con la aplicación de la máscara de soldadura, que protege el circuito, previene los puentes de soldadura y mejora la robustez general de la PCB. Además, se imprime una capa de serigrafía sobre la placa, proporcionando etiquetas y marcas esenciales para la identificación de componentes.

Pasos en el proceso de fabricación de PCBs

Paso 1 – Impresión y creación del diseño

Paso 2 – Creación del substrato

Paso 3 – Impresión de las capas internas

Paso 4 – Exposición a luz ultravioleta

Paso 5 – Eliminación del cobre no deseado

Paso 6 – Alineación de capas e inspección

Paso 7 – Laminado y unión de capas

Paso 8 – Perforado Drilling

Paso 9 – Galvanizado de la PCB PCB Plating

Paso 10 – Impresión de la capa externa

Paso 11 – Galvanizado con estaño Tin Plating

Paso 12 – Grabado final Final Etching

Paso 13 – Aplicación de la máscara de soldadura

Paso 14 – Serigrafía

Paso 15 – Acabado de superficie

Paso 16 – Pruebas

Paso 17 – Perfilado Profiling

Paso 18 – Chequeo final de calidad

Paso 1 – Impresión y creación del diseño

La impresión de la PCB comienza una vez que los diseñadores envían los archivos Gerber, y los fabricantes realizan una verificación DFM (Diseño para Fabricación). Una impresora especial llamada impresora plotter se utiliza para imprimir el diseño de la PCB y produce una película fotográfica que muestra los detalles y capas de la placa. Se utilizan dos colores de tinta para este proceso en la capa interna de la placa.

Tinta clara para mostrar las áreas no conductoras.

Tinta negra para mostrar las trazas y circuitos conductores de cobre.

Se utilizan los mismos colores para las capas exteriores, pero con su significado invertido. Cada capa de la PCB y la máscara de soldadura recibe su propia lámina de película transparente y negra. En total, una PCB de dos capas requiere cuatro láminas: dos para las capas de cobre y dos para la máscara de soldadura. Para continuar, todas las láminas de película deben estar perfectamente alineadas entre sí. Para lograr una alineación perfecta de todas las películas, deben perforarse agujeros de registro a través de todas ellas. Estos agujeros se alinearán con los pines de registro (una estructura predefinida) en el siguiente paso del proceso de imagen.

Paso 2 – Creación del substrato

El sustrato, que es el material aislante (resina epóxica y fibra de vidrio) que sostiene los componentes en la estructura, comienza a formarse al pasar los materiales a través de un horno. Es el núcleo rígido de la PCB, que proporciona robustez y resistencia a los circuitos montados en la placa.

Paso 3 – Impresión de las capas internas

Este paso en el proceso de fabricación de PCBs marca el inicio de la creación de la PCB real. El proceso comienza con la forma fundamental de una PCB, que consiste en una placa laminada hecha del material sustrato. En términos simples, se puede describir como una capa de máscara utilizada para estampar el material fotosensible sobre el cobre. En este paso:

● El diseño de la PCB se imprime sobre la placa laminada.

● El cobre se pre-adhiera en ambos lados de la placa laminada.

● A continuación, la placa laminada se recubre con una película fotosensible conocida como fotorresistente o resist.

Esta película fotosensible está compuesta por productos químicos foto-reactivos que se endurecen cuando se exponen a la luz ultravioleta (el resist) y cubren la estructura. Este proceso garantiza una coincidencia exacta entre las películas fotográficas y el fotoresist. Las películas se colocan sobre pines que las aseguran en su lugar sobre el panel laminado.

Paso 4 – Exposición a luz ultravioleta

La película y la placa se alinean y reciben una exposición a luz ultravioleta (UV). La luz pasa a través de las partes claras de la película, endureciendo el fotoresist sobre el cobre debajo. La tinta negra del plotter impide que la luz llegue a las áreas que no deben endurecerse. Solo las áreas endurecidas se mantienen como las rutas de cobre, mientras que el resto de la placa será grabado en el siguiente paso.

Después de esto, la placa se lava con una solución alcalina, que disuelve y elimina el fotorresistente no endurecido. Posteriormente, se aplica un lavado a presión final para eliminar cualquier residuo que quede en la superficie. Posteriormente, la placa se seca. Un técnico examina las placas para asegurarse de que no se hayan producido errores en esta etapa crítica del proceso.

Paso 5 – Eliminación del cobre no deseado

Este proceso elimina el cobre sobrante de la placa de circuito, dejando intacto el cobre debajo del fotoresist endurecido. Una solución química, similar a la solución alcalina, disuelve el cobre no deseado. Este paso también se conoce como grabado de las capas internas.

El tiempo y el solvente requeridos para el grabado pueden variar según el tamaño de las placas. Las PCBs de mayor dimensión suelen necesitar más tiempo y/o solvente. Finalmente, la placa queda brillante, con solo el sustrato de cobre necesario para la PCB.

Paso 6 – Alineación de capas e inspección

Las capas recién limpiadas deberán ser inspeccionadas para verificar su alineación. Los agujeros perforados anteriormente ayudan a alinear las capas internas y externas. Una máquina de punzonado óptico perfora un pin a través de los agujeros para mantener las capas alineadas. Después del punzonado óptico, otra máquina inspeccionará la placa para asegurarse de que no haya defectos. A partir de este momento, no será posible corregir errores que hayan quedado sin detectar. En el proceso de inspección:

● El diseñador utilizará una máquina de Inspección Óptica Automatizada (AOI) para la inspección.

● La máquina AOI compara las PCBs con el diseño original de los archivos Gerber.  

● La máquina AOI escanea las capas con un sensor láser y realiza una comparación electrónica con el diseño original.

● Las placas de circuito con defectos se descartan en esta etapa crítica.

● El proceso se repite para las capas externas tras su imagen y grabado.

Paso 7 – Laminado y unión de capas

Ahora, verá cómo la placa comienza a tomar forma mientras las capas se fusionan. Las abrazaderas metálicas mantienen las capas unidas cuando comienza el proceso de laminado. Este proceso consiste en colocar la capa exterior de las PCBs (hecha de fibra de vidrio recubierta previamente con resina epóxica) y la capa de una lámina delgada de cobre (con grabados para las trazas de cobre). El proceso se lleva a cabo en una mesa de prensa especializada utilizando abrazaderas metálicas, y también se conoce como "layer-up & bonding" (unión de capas).

● El operario coloca el conjunto sobre la prensa de laminado con la alineación adecuada.

● El ordenador de control de la prensa de unión gestiona la prensa de laminado.

● El ordenador aplicará calor a las placas y ejercerá presión según las calibraciones, fusionando las capas de la PCB.

● La resina epoxi se funde dentro del prepreg, lo que, junto con la presión, une las capas.

● Tras retirar la placa superior de la prensa y los pasadores, el técnico extraerá la placa de circuito impreso. Este proceso fusiona todas las capas.

Paso 8 – Perforado Drilling

El perforado Drilling es considerado el paso más crítico en el proceso de fabricación de PCBs. Establece la base para los conductores (vias) y permite la conectividad entre las distintas capas del PCB.

Todos los componentes que se agregarán posteriormente, como los conductores de cobre para las vías y los aspectos con plomo, dependen de la precisión de los orificios de perforado. Los orificios se perforan con una precisión milimétrica, logrando un diámetro de 100 micrómetros, mientras que el diámetro medio de un cabello es de 150 micrómetros. Debido a su diámetro extremadamente pequeño, el perforado drilling de PCBs requiere la máxima precisión.

Es por eso que los principales fabricantes profesionales, como JLCPCB, suelen utilizar máquinas de perforado de PCBs controladas por ordenador. Estas máquinas pueden perforar orificios de hasta 100 micrones de diámetro, utilizando husillos accionados por aire que giran a 150,000 RPM. A esta velocidad, podría parecer que el perforado se realiza en un abrir y cerrar de ojos, pero son muchos los orificios que se deben perforar. Un PCB promedio contiene más de cien puntos de perforación intactos. Durante el proceso de perforado, cada uno de ellos necesita su momento especial con la broca, por lo que toma tiempo.

● Antes de perforar, un localizador de rayos X localiza los puntos de perforación.

● Se coloca una placa de material de amortiguación debajo del área de perforación para garantizar una perforación limpia.

● En primer lugar, se perforan los orificios de registro o guía para asegurar el apilamiento del PCB.

● Una máquina controlada por ordenador perfora el área objetivo utilizando el diseño original como guía.

● Después de perforar, se elimina el exceso de capa de cobre alrededor de los bordes mediante perfilado profiling.

Paso 9 – Galvanizado (Plating) de la PCB

La placa ya está lista para ser galvanizada. El galvanizado del PCB es el proceso de rellenar los agujeros perforados con cobre, lo que permite que la corriente fluya de una capa a otra en el PCB al conectarlas eléctricamente. El proceso implica una serie de baños químicos.

● Limpieza exhaustiva del panel de PCB

● Colocación del panel en una serie de baños químicos que depositan una capa delgada de cobre, aproximadamente de un micrón de grosor.

● Control del proceso de galvanizado del PCB mediante ordenadores.

Los baños de cobre cubren completamente las paredes de los agujeros. Además, toda la placa recibe una nueva capa delgada de cobre. Lo más importante es que los nuevos agujeros quedan completamente cubiertos.

Paso 10 – Imagen de la capa externa

En el Paso 3, aplicamos fotorresistente a las capas internas del panel. En este paso, repetimos el mismo proceso para las capas externas del panel. El proceso se realiza en un entorno estéril para evitar cualquier tipo de contaminación.

● Los pines de registro aseguran las transparencias de tinta negra, evitando cualquier desalineación entre capas.

● El panel de PCB, ya recubierto de fotorresistente, entra en la sala amarilla (libre de UV).

● La luz amarilla y ultravioleta endurece el fotorresistente.

● El panel pasa entonces a una máquina que elimina el resist no endurecido, protegido por la opacidad de la tinta negra.

Finalmente, las capas externas se inspeccionan para verificar que todo el fotorresistente no deseado ha sido eliminado correctamente en la etapa anterior.

Finalmente, las capas externas pasan por una inspección exhaustiva para verificar que todo el fotorresistente no deseado se ha eliminado correctamente en la etapa anterior.

Paso 11 – Galvanizado con estaño Tin Plating

Electrogalvanizamos el panel con una capa delgada de cobre nuevamente, tal como se describe en el Paso 10. Las secciones expuestas del panel, que provienen de la etapa de fotolaca de la capa externa, reciben el electrogalvanizado de cobre. Posteriormente, se aplica una fina capa de estaño sobre la placa. El estaño sirve para proteger el cobre de la capa externa de ser eliminado durante el proceso de grabado.

Paso 12 – Grabado final

La misma solución química utilizada previamente elimina cualquier cobre no deseado debajo de la capa de fotorresistente. La capa de estaño protege el cobre necesario. Este proceso deja el panel de PCB listo para la Inspección Óptica Automatizada (AOI) y para el proceso de soldadura.

● Se aplica una capa de cobre mediante el método de electrogalvanizado.

Tras los primeros baños de cobre, se utiliza electrogalvanizado de estaño para proteger el cobre en las áreas críticas.

● El panel de PCB pasa por Inspección Óptica Automatizada (AOI) para garantizar que la capa de cobre cumpla con las especificaciones deseadas.

● La capa de estaño no se elimina del cobre porque protege el cobre de la oxidación y también facilita la soldadura adecuada de los paneles.

Paso 13 – Aplicación de máscara de soldadura

Esta aplicación es esencial, ya que añade una capa protectora a las superficies exteriores de la placa de circuito impreso, preparándola para el proceso de soldadura. Esencialmente, marca las áreas donde no se requiere soldadura.

● El panel de PCB se limpia para eliminar impurezas o cobre no deseado.

● Se aplica una mezcla de tinta epoxi y película de máscara de soldadura sobre la superficie.

● Las placas se exponen a un destello de luz ultravioleta (UV), que penetra a través de una película fotográfica de máscara de soldadura.

● Las partes cubiertas permanecen no endurecidas y serán eliminadas.

Finalmente, la placa de circuito se coloca en un horno y se hornea sobre la placa.

Paso 14 – Serigrafía

La serigrafía es un paso vital, ya que este proceso es responsable de imprimir información crítica sobre la placa. Una vez aplicada, la PCB pasa por una última etapa de recubrimiento y curado. Esta etapa generalmente incluye:

● Etiquetas de advertencia

● Logotipo o símbolos

● Identificación ID de componentes

● Localizadores de pines y otras marcas

Paso 15 – Acabado de superficie

Los paneles de PCB casi completos requieren un recubrimiento de material conductor, generalmente según las especificaciones del cliente. Esto mejora la calidad y la adherencia de la soldadura al PCB. Este proceso se conoce como acabado de superficie. A continuación, se muestra una lista de algunos materiales conductores comúnmente utilizados para el acabado de superficie:

Plata de inmersión: Baja pérdida de señal, libre de plomo, conforme a RoHS. El acabado puede oxidarse y empañarse, pero un fuerte tratamiento antitarnish puede solucionar este problema.

● En casos donde la superficie no está protegida, la plata de inmersión tiene una vida útil corta.

● No es adecuado para múltiples procesos de ensamblaje.

Oro duro: Es duradero, tiene una larga vida útil, cumple con RoHS, es libre de plomo, es más caro en comparación con otros acabados de superficie debido a su proceso complejo, y no es re-trabajable.

Nivelación de soldadura con aire caliente (HASL): Es económico, duradero y re-trabajable, pero contiene plomo y no cumple con RoHS.

HASL libre de plomo: Es económico, libre de plomo, cumple con RoHS y es re-trabajable, pero no es adecuado para varios procesos de reflujo/ensamblaje.

● El proceso requiere el uso de un carcinógeno llamado Tiourea.

● Es difícil medir el grosor.

Níquel electrolítico con inmersión en oro (ENIG): Es uno de los acabados más comunes. Tiene una larga vida útil, cumple con RoHS, pero es más caro que otras opciones.

El material correcto depende de las especificaciones del diseño y del presupuesto del cliente. Sin embargo, aplicar estos acabados crea una característica esencial para el PCB. Los acabados permiten a los ensambladores montar componentes electrónicos. Además, los metales cubren el cobre para protegerlo de la oxidación que puede ocurrir al exponerse al aire.

Paso 16 – Pruebas

Las pruebas de PCB también son un paso crítico en el proceso de fabricación. Utilizaremos varios métodos de prueba para garantizar que los PCBs sean funcionales y cumplan con las especificaciones del diseño original. Antes de considerar que la PCB está completo, un técnico realizará una prueba eléctrica en la placa para confirmar que funciona según los diseños del plano original.

Paso 17 – Perfilado Profiling

El perfilado es esencialmente el último paso en el proceso de fabricación de PCBs. Hasta esta etapa, las placas de circuito impreso forman un solo panel de construcción. Usando los archivos de diseño original, las PCBs se cortan en placas individuales. En palabras sencillas, podemos decir que este es el proceso de corte de las placas. Hay dos métodos más comunes para dividir las placas de PCB:

● Marcado (Scoring): También conocido como ruteo, este método consiste en cortar varios pequeños tabiques alrededor de los bordes de las placas de circuito impreso.

● V-Groove: En este método, la máquina CNC realiza cortes en forma de "V" a lo largo de los bordes de las placas de PCB.

Tras el perfilado, es fácil separar las placas de PCB, independientemente del método utilizado.

Paso 18 – Inspección final de calidad

Después del perfilado, cada placa de circuito impreso pasa por una inspección visual final y un control de calidad. El fabricante empaquetará y enviará los PCBs sin errores tras el examen final.

Conclusión

Comprender el proceso de fabricación de placas de circuito impreso (PCB) es fundamental para cualquiera que esté involucrado en el diseño, la producción o el uso de dispositivos electrónicos. Esta guía ha proporcionado una visión general completa de los elementos clave y los pasos involucrados en la fabricación de PCBs.

Acerca de JLCPCB

JLCPCB es un fabricante líder de PCBs de alta calidad. La empresa tiene una amplia experiencia en la fabricación de una gran variedad de PCBs, desde placas simples de una sola cara hasta complejas placas multicapa. JLCPCB utiliza equipos y procesos de última generación para garantizar que sus PCBs cumplan con los más altos estándares de calidad.

Video de recorrido por la fábrica de JLCPCB