Placas de circuito impreso: Tanta responsabilidad, tan poco respeto

Las placas de circuito impreso son literalmente la base de los productos y sistemas electrónicos. Estas placas conectan y "cablean" las decenas, los cientos e incluso los miles de componentes activos y pasivos con pequeños puntos de soldadura y trazos tan finos como el cabello, al tiempo que proporcionan soporte físico, lengüetas de montaje, disposiciones de conectores y más. A menudo se les conoce como PCB o placas de CI y, hace algunos años, el IPC, una organización de normalización clave en la industria que anteriormente se llamaba Interconnecting and Packaging Electronic Circuits (Instituto de Interconexión y Empaquetado de Circuitos Electrónicos), intentó cambiar su nombre a “placa de circuito impreso” o “PWB”; pero ese nuevo nombre nunca se afianzó.

Ciertamente, no hay necesidad de contarle a esta audiencia sobre el rol indispensable de las placas de circuito impreso (PC), así como su versatilidad y capacidades. Sin embargo, en muchas discusiones, se consideran casualmente como otro componente pasivo simple, aunque esencial, que no es gran cosa; esta es una simplificación engañosa.

La interesante historia de la placa de CI

Ha sido un relato interesante sobre estas placas. En un principio, cuando fueron creadas hace unos 50 años, muchos diseñadores las consideraban necesarias y, a la vez, un dolor de cabeza. Eran necesarias para reemplazar el uso de cableado y soldadura manual punto a punto, una técnica manual que ya no podía admitir la densidad y el tiempo de fabricación necesarios para productos como televisores a color con sus más de 100 tubos de vacío. De hecho, uno de los principales proveedores de servicios de televisión de la época se jactaba de que sus televisores eran hechos a mano por artesanos en lugar de usar una placa de circuito anónima. Nosotros sabemos cómo termina esa historia de marketing.

Las primeras placas de CI tenían un solo lado y estaban hechas de fenoles o baquelita, en lugar de nuestro moderno compuesto de resina epoxi; tenían agujeros perforados en lugar de taladrados para el componente que debía ir atravesado y los terminales hembra; y aún eran soldados a mano (Figura 1). Los anchos de línea seguían el orden de 3 a 6 milímetros (mm).

Figura 1: Las placas fenólicas básicas de un solo lado con agujeros, similares a esta, fueron las primeras iteraciones ampliamente utilizadas del concepto de placa de CI. (Fuente de la imagen: TheEngineeringProjects.com)

La confiabilidad de estas primeras placas era marginal debido a la delaminación del revestimiento, los problemas de tolerancia y la falta de homogeneidad en la soldadura. Pero, como dicen, el fracaso no era una opción, ya que las placas de CI ofrecían el único método viable para lidiar con una mayor cantidad de componentes, paquetes de CI, componentes más pequeños, mayor cantidad de pines y, finalmente, componentes de montaje en superficie. La magnitud de las placas de CI de la actualidad ha avanzado mucho en comparación con las primeras placas, en cuanto a cada parámetro de rendimiento y capacidad.

Curiosamente, las placas fenólicas de un solo lado todavía se utilizan en algunos aparatos de consumo para sujetar casi todos sus componentes; se insertan puentes de cables en la parte superior para que se pueda utilizar una placa de una sola cara de muy bajo costo (Figura 2).

Figura 2: Esta placa de CI fenólica de un horno microondas del año 2010 contiene la fuente de alimentación (bajo y alto voltaje), un transformador, dispositivos de alimentación y gran parte del resto de los circuitos; tenga en cuenta el uso de puentes en la parte superior para permitir el uso de una placa de una sola cara de bajo costo. (Fuente de la imagen: Low Price Mart)

La precisión de una placa de CI para realizar varias tareas

A pesar de la manera informal en que a menudo hablamos de las placas de CI, hoy en día son componentes de precisión de diseño superior. Se espera que hagan muchísimo más que simplemente actuar como portadores de componentes y plataformas de interconexión. Entre sus tareas:

1. Transmiten la energía y tienen puesta a tierra en sus capas expuestas si se trata de una placa de CI básica de dos caras.
2. En placas de varias capas, como la versión común de cuatro capas, una capa interna proporciona distribución de energía para uno o más rieles y la otra capa interna cumple funciones de puesta a tierra; las “VIA” (abreviatura de vertical interconnect access o acceso de interconexión vertical) conductoras conectan estas capas según sea necesario.
3. El cobre ubicado alrededor o cerca de un componente caliente funciona como un disipador térmico o como un conducto térmico para dirigir el calor hacia un disipador discreto.
4. El cobre de la placa de CI se puede configurar para actuar como una línea de transmisión de RF, filtro, aislador o circulador utilizando topologías de línea de cinta o microcinta.
5. La placa de CI también puede diseñarse como una antena, a menudo una antena multibanda, en lugar de una antena de una sola banda.
6. Los dispositivos pasivos de RF (condensadores e inductores) también se pueden construir con patrones de cobre apropiados.
7. Los trazos dimensionados con precisión pueden actuar como resistencias de bajo valor (varios miliohmios) para medir el flujo de corriente mediante la caída de IR a través del trazo.
8. El cobre también puede conformar un anillo protector alrededor de las entradas analógicas del sensor sensible de bajo nivel de los amplificadores operacionales.
9. El cobre de la placa puede brindar protección EMC para evitar que la RF accidental afecte los circuitos o el complemento de las emisiones atenuantes de la placa.
10. Puede ser el receptáculo de inserción para las clavijas rígidas y flexibles de los extremos de los cables individuales de un arnés.

Si eso no es suficiente, se ha agregado una nueva función a la lista: actuar como conector para un conector IDC de cable cinta (conector de desplazamiento de aislamiento) de Würth Elektronik. En lugar del par de acoplamiento estándar de los conectores IDC, uno macho con contactos de clavija (clavijas) y el otro hembra con receptáculos, el método Würth usa la placa como complemento del conector IDC macho.

Tenga en cuenta que esta no es la primera vez que se han conectado cables directamente a una placa. Durante muchos años, se atravesaron clavijas sólidas o flexibles en agujeros chapados de la placa de CI. Pero estas clavijas no se pueden quitar sin dañar la clavija y la placa, por lo que solo se insertan una vez. Por el contrario, la familia de conectores REDFIT IDC SKEDD de Würth se puede conectar y desconectar hasta diez veces utilizando un agujero de la placa de CI con el tamaño y el chapado especificados, y hasta 25 veces con tolerancias holgadas.

Figura 3: La familia de conectores REDFIT IDC SKEDD de Würth elimina la necesidad de un conector IDC que se acople con el conector IDC macho (clavija) y la necesidad de un cable plano, por lo que reduce costos, simplifica la BOM y reduce las transiciones de cable a conector y, por ende, posibles fuentes de problemas. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

¿Qué sucederá en el futuro para la humilde y poco apreciada placa de CI? Parece que el sustrato de resina epoxi FR-4 ampliamente utilizado ya no será tan predominante como lo es ahora. Sus características inherentes no cumplen con las grandes exigencias de los diseños de varios gigahercios (GHz), donde el sutil factor eléctrico y de material, tal como la constante dieléctrica, la constante dieléctrica (e_r), el factor de pérdida (tδ), la absorción de humedad y otros factores son críticos. Además, estos números no solo deben coincidir con las necesidades de los diseños de GHz, sino que también deben tener coeficientes de temperatura o tempcos muy bajos, que el FR-4 no tiene. Incluso los tempcos mecánicos y dimensionales adquieren una importancia adicional, ya que incluso los pequeños cambios afectan el rendimiento electrónico a estas frecuencias.

La próxima vez que alguien descarte la placa de CI por "no ser gran cosa", no crea en esa actitud o concepto erróneo. El éxito de un proyecto depende tanto de esa placa como de cualquier otro componente. La capacidad de maximizar sus funciones, producir una placa de varias capas con especificaciones increíblemente limitadas, cargarla y soldarla adecuadamente, afecta directamente el rendimiento básico, el índice de rechazo/descarte y la confiabilidad en campo.

Referencias:

1 – Wikipedia, “FR-4” https://en.wikipedia.org/wiki/FR-4

2 – Wikipedia, “Printed circuit board” (Placa de circuito impreso)https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board#Materials

3 – Wikipedia, “Via (electrónica)” https://en.wikipedia.org/wiki/Via_(electronics)

4 – SEEED Studio, “Printed Circuit Board (PCB) Material Types and Comparison” (Tipos de material y comparación de placas de circuito impreso)https://www.seeedstudio.com/blog/2017/03/23/pcb-material/

5 – Al Wright, Epec LLC., “PCB Vias - Everything You Need To Know” (Via PCB - Todo lo que necesita saber)https://blog.epectec.com/pcb-vias-everything-you-need-to-know

6 – John W. Schultz, Compass Technology Group, “A New Dielectric Analyzer for Rapid Measurement of Microwave Substrates up to 6 GHz” (Un nuevo analizador dieléctrico para la medición rápida de sustratos de microondas hasta 6 GHz)https://compasstech.com/wp-content/uploads/2019/02/A-New-Dielectric-Analyzer-for-Rapid-Measurement-of-Microwave-Substrates-up-to-6-GHz.pdf

7 – Rogers Corp., “Characterizing Circuit Materials at mmWave Frequencies” (Caracterización de materiales de circuito a frecuencias de ondas milimétricas)https://www.microwavejournal.com/articles/32237-characterizing-circuit-materials-at-mmwave-frequencies?v=preview

8 – Rogers Corp., “Laminate Materials Simultaneously Increase μ and ε, Reducing Antenna Size” (Materiales laminados que incrementan simultáneamente μ y ε, y reducen el tamaño de la antena)https://www.microwavejournal.com/articles/32056-laminate-materials-simultaneously-increase-mu-and-epsilon-reducing-antenna-size