Fabricación de PCB rígidos: Materiales, procesos y estándares de la industria

Las placas de circuitos impresos rígidos (PCB) forman la columna vertebral de casi todos los dispositivos electrónicos, desde teléfonos inteligentes y computadoras portátiles hasta maquinaria industrial y equipos médicos.los PCB rígidos mantienen una forma fija, proporcionando estabilidad estructural a los componentes y garantizando un rendimiento fiable en aplicaciones estacionarias.desde la selección del material hasta el ensayo finalEsta guía explora los materiales, procesos y estándares clave que definen la fabricación de PCB rígidos.ofreciendo información sobre cómo estos factores afectan el rendimiento, costo y fiabilidad.

Materiales básicos en la fabricación de PCB rígidos
El rendimiento de un PCB rígido está fundamentalmente determinado por sus materiales centrales, que incluyen sustratos, láminas de cobre y capas protectoras.Cada material se elige en función de los requisitos de resistencia térmica de la aplicación, el rendimiento eléctrico y el coste.

1. Materiales de sustrato
El sustrato forma la base rígida del PCB, proporcionando soporte mecánico e aislamiento eléctrico entre capas de cobre.

a.FR-4 Dominación: el epoxi reforzado con fibra de vidrio (FR-4) es el estándar de la industria, que representa alrededor del 90% de los PCB rígidos.y procesable lo hace ideal para la mayoría de las aplicaciones.
b.Variantes de alta resistencia: Se utilizan en ambientes superiores a 130 °C, como los sistemas automotrices bajo el capó, donde el FR-4 estándar se ablandaría o delaminaría.
c. Substratos especializados: los PCB de núcleo de aluminio sobresalen en la disipación de calor, mientras que los sustratos de poliimida están reservados para condiciones extremas como el espacio o los hornos industriales.

2. Fuentes de cobre
Las láminas de cobre forman las huellas conductoras que transportan señales eléctricas.
a. espesor: oscila entre 0,5 oz (17 μm) y 6 oz (203 μm). El cobre más grueso (2 ‰ 6 oz) se utiliza en PCB de potencia para manejar altas corrientes, mientras que 0,5 ‰ 1 oz es estándar para las huellas de señal.
b.Tratamiento de superficie:
Cobre estándar (STD): acabado mate con rugosidad moderada (Rz = 1,5 ∼ 3,0 μm) para aplicaciones generales.
Cobre de perfil muy bajo (VLP): ultra-listo (Rz <1,0μm) para minimizar la pérdida de señal en diseños de alta frecuencia (> 1 GHz).
Cobre tratado a la inversa (RT): superficie lisa frente al dieléctrico para una mejor adhesión, utilizada en PCB de múltiples capas.

3. Capas de protección
a.Máscara de soldadura: un revestimiento de polímero aplicado sobre rastros de cobre para evitar puentes de soldadura durante el montaje. Los tipos comunes incluyen película fotográfica líquida (LPI) y película seca, disponible en verde (estándar),negro, o blanco (para inspección de alto contraste).
b. Silkscreen: Una capa impresa de tinta epoxi que marca los componentes, los puntos de prueba y los marcadores de polaridad, lo que ayuda en el ensamblaje y la solución de problemas.

El proceso de fabricación de PCB rígidos
La fabricación de PCB rígidos implica más de 20 pasos, pero el proceso se puede dividir en seis fases clave, cada una crítica para garantizar la calidad y el rendimiento:
1Diseño y preparación del expediente Gerber
a.Diseño CAD: Los ingenieros utilizan software de diseño de PCB (Altium, KiCad) para crear diseños, definir el enrutamiento de trazas, la colocación de componentes y las apilas de capas.
b. Archivos Gerber: los datos de diseño se convierten en formato Gerber (el estándar de la industria) para la fabricación, incluidos detalles como anchos de traza, tamaños de taladros y capas de máscara de soldadura.
c. Verificación de la DFM: el software de diseño para la fabricabilidad (DFM) identifica problemas como trazas demasiado estrechas, espacios libres insuficientes o tamaños de taladro no estándar, reduciendo los errores de producción.

2Preparación del sustrato y revestimiento de cobre
a.Corte: las hojas de sustrato grandes (normalmente 18×24×) se cortan al tamaño deseado del PCB con sierras de precisión.
b.Limpieza: Los sustratos se limpian con soluciones alcalinas para eliminar aceites y contaminantes, asegurando una fuerte adhesión del cobre.
c. Revestimiento: La lámina de cobre se une a uno o ambos lados del sustrato mediante calor (180~200°C) y presión (20~30 kgf/cm2). Los PCB multicapa requieren pasos de laminación adicionales para cada capa.

3- Patrones y grabado.
a. Aplicación fotoresistente: se aplica un fotoresistente sensible a la luz al sustrato revestido de cobre mediante rociado o sumersión.
b.Exposición: el sustrato se expone a la luz UV a través de una máscara fotográfica, transfiriendo el patrón de traza al fotoresistente.
c. Desarrollo: el fotoresistente sin curar se lava, dejando rastros de cobre protegidos.
d.Eresado: el cobre expuesto se disuelve utilizando etensos ácidos (cloruro férrico o cloruro de cobre), dejando tras de sí el patrón deseado.
e.Eliminación: se elimina el fotoresistente restante con disolvente, revelando los rastros de cobre.

4Perforación y revestimiento
a.Perforación: Los agujeros para componentes a través de agujeros, vías y hardware de montaje se perforan con máquinas CNC con bits de carburo o de punta de diamante.15 mm) para los PCB de alta densidad se crean con láseres.
b.Descabrimiento: se limpian los orificios para eliminar las burras de cobre y de sustrato, evitando así los cortocircuitos.
c.Platado: Una capa delgada de cobre (5 ‰ 10 μm) se electrolienta en las paredes de los agujeros para conectar las capas eléctricamente. Los PCB de múltiples capas también pueden utilizar un revestimiento de cobre sin electrolienta para una mejor cobertura.

5. Máscara de soldadura y aplicación de serigrafía
a.Impresión de máscaras de soldadura: se aplica una máscara de soldadura y se cura con luz UV, dejando expuestas las almohadillas de cobre y las vías.
b.Impresión en serigrafía: las etiquetas y marcadores de los componentes se imprimen con tinta epoxi, y luego se curan a 150 °C para garantizar su durabilidad.

6Pruebas e inspección final
a. Pruebas eléctricas:
Prueba de continuidad: verifica que todas las pistas conducen la electricidad según lo diseñado.
Pruebas de Hi-Pot: se aplica un alto voltaje (500 ‰ 1000 V) para comprobar la ruptura del aislamiento entre las huellas.
b.Inspección visual: los sistemas de inspección óptica automatizada (AOI) comprueban los defectos como la falta de máscara de soldadura, las huellas desalineadas o los errores de perforación.
c. Pruebas funcionales: para PCB complejos, las pruebas funcionales simulan el funcionamiento en el mundo real para garantizar que los componentes funcionen correctamente.

Normas de la industria para los PCB rígidos
La fabricación de PCB rígidos se rige por estándares globales que garantizan la consistencia, fiabilidad y seguridad en todos los fabricantes.
1. Normas IPC (Asociación de las Industrias Electrónicas de Conexión)
a. IPC-A-600: Define los criterios de aceptabilidad para la fabricación de PCB, incluidos los defectos permitidos en cobre, máscara de soldadura y laminación.
b.IPC-2221: Proporciona estándares de diseño para placas impresas, incluidas las pautas de ancho de traza, espaciamiento y tamaño de agujero.
c.IPC-J-STD-001: Especifica los requisitos para los procesos de soldadura, garantizando juntas fuertes y fiables.

2. Certificación UL (laboratorios de suscriptores)
a.UL 94: Prueba la inflamabilidad de los materiales de PCB, con calificaciones como V-0 (resistencia más alta) que garantizan que los PCB no propagan llamas en caso de incendio.
b.UL 796: Certifica la construcción de PCB, garantizando el cumplimiento de las normas de seguridad para equipos eléctricos.

3. RoHS y REACH (normas medioambientales)
a.RoHS: restringe las sustancias peligrosas (plomo, mercurio, cadmio) en los PCB, lo que requiere soldaduras libres de plomo y materiales compatibles.
b.REACH: Regula los productos químicos utilizados en la fabricación, garantizando que los materiales de PCB sean seguros para la salud humana y el medio ambiente.

Análisis comparativo: PCB rígidos de una sola capa o de varias capas

Tendencias en la fabricación de PCB rígidos
Los avances tecnológicos están impulsando innovaciones en la producción de PCB rígidos:
a.Interconexión de alta densidad (HDI): las microvias, las vías apiladas y los anchos de traza más finos (≤ 3 milis) permiten PCB más pequeños y potentes para dispositivos 5G y aceleradores de inteligencia artificial.
b. Automatización: los sistemas de inspección basados en IA y el ensamblaje robótico reducen el error humano, mejorando los rendimientos y la coherencia.
c.Sostenibilidad: Los etchants a base de agua, el cobre reciclado y los sustratos a base de bio están reduciendo el impacto ambiental de la fabricación.
d. Fabricación aditiva: se están probando rastros conductores impresos en 3D para prototipos rápidos, lo que permite iteraciones de diseño más rápidas.

Preguntas frecuentes
P: ¿Cuál es el tiempo de entrega típico para la fabricación de PCB rígidos?
R: Los plazos de entrega oscilan entre 2 ∼5 días para los PCB simples de una sola capa y 5 ∼10 días para los diseños de múltiples capas (4 ∼8 capas).

P: ¿Cuánto cuesta fabricar un PCB rígido?
R: Los costos varían según el tamaño, el número de capas y el volumen: los PCB de una sola capa comienzan en (1 ¢) 5 por unidad (volumen alto), mientras que los PCB HDI de 8 capas pueden costar (50 ¢) 100 + por unidad (volumen bajo).

P: ¿Cuál es el tamaño máximo de un PCB rígido?
R: Las líneas de producción estándar manejan PCBs de hasta 24×36×, pero los fabricantes personalizados pueden producir placas más grandes (hasta 48×60×) para aplicaciones industriales.

P: ¿Se pueden reciclar los PCB rígidos?
R: Sí, los PCB rígidos contienen cobre valioso (15~20% en peso) que se puede reciclar.

P: ¿Cuál es la diferencia entre el FR-4 y el FR4 de alta TG en la fabricación?
A: El FR4 de alta Tg requiere temperaturas de laminación más altas (180 ∼200 °C frente a 150 ∼170 °C para el FR4 estándar) y tiempos de curado más largos para lograr una temperatura de transición de vidrio más alta,incrementando ligeramente los costes de producción.

Conclusión
La fabricación de PCB rígidos es un proceso de precisión (dirigido por precisión) que equilibra la ciencia de materiales, el diseño de ingeniería y el control de calidad para producir componentes electrónicos confiables.Desde la selección de sustratos FR-4 para dispositivos de consumo hasta materiales de núcleo de aluminio para aplicaciones de alta potenciaAl cumplir con estándares como IPC-A-600 y RoHS, los fabricantes aseguran que los PCB rígidos cumplan con los requisitos mundiales de seguridad, fiabilidad,y responsabilidad ambiental.
A medida que la electrónica continúa evolucionando, volviéndose más pequeña, más rápida y más poderosa, la fabricación de PCB rígidos se adaptará, incorporando nuevos materiales y procesos para satisfacer las demandas emergentes.Ya sea en smartphonesEn el caso de los PCB rígidos, tanto en los dispositivos médicos como en la maquinaria industrial, siguen siendo esenciales para la tecnología moderna, ya que conectan componentes y permiten la innovación.
La fabricación de PCB rígidos es una mezcla de arte y ciencia, donde la selección de materiales, procesos precisos,y el cumplimiento de las normas se unen para crear la base de los sistemas electrónicosComprender estos elementos es fundamental para diseñar y producir PCB que cumplan con los objetivos de rendimiento, costo y confiabilidad.