INTRODUCCIÓN A CIRCUITOS IMPRESOS

Profesor adjunto: Ing. Juan Manuel CruzLuciano A. Carcagno

UTN – FRBAIngeniería Electrónica

FABRICACIÓN DE CIRCUITOS IMPRESOS

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Breve descripción.Composiciones más comunes.Conocer la fabricación.

INTRODUCCIÓN

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¿Qué es un circuito impreso? Un circuito impreso o PCB (“printed cirtuit board”) es un componente

primordial en la gran mayoría de los aparatos electrónicos. Generalmente están constituidos por algún substrato de naturaleza

muy variada, y una o más capas o “layers” de conductores de cobre. Las sucesivas capas de conductores se apilan en números pares

(para circuitos de 2 “layers” o más), separadas por una capa dieléctrica entre cada par formando un “stack”.

Existe una gran variedad de tipos de PCB y pueden clasificarse según su construcción, tipo de material base, cantidad de “layers”, forma en la que se definen los conductores, rígidos, flexibles, etc…

Si clasificamos los PCB según su cantidad de “layers”, encontraremos circuitos SIMPLE FAZ, DOBLE FAZ y MULTILAYER. Como sus nombres indican, están compuestos de 1, 2 o más “layers”, pudiendo llegar a un número realmente alto de “layers” (32 o incluso más).

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¿Cómo está compuesto? Existe una gran variedad de compuestos para la fabricación del

material base de los PCB. Estos pueden variar según la aplicación o uso que se le dará al circuito.

Mayormente encontraremos circuitos cuyo material base está conformado por varias capas de un mallado de fibra de vidrio, impregnadas con resina epóxica, prensadas entre sí y laminadas con delgadas capas de cobre. Este tipo de material base, construido siguiendo ciertas normas, se denomina FR-4.

En el caso de los circuitos simple faz también podemos encontrar material base constituido por láminas de papel de algodón prensado con resina fenólica. Este tipo de construcción se denomina FR-2.

El distintivo “FR” significa que son resistentes a la llama (“flame resistant”) pero no implica que otros materiales sin esta sigla no lo sean también.

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¿Por qué conocer su fabricación? El PCB es la elección por excelencia para realizar el conexionado

de los componentes de los circuitos electrónicos. Provee el soporte mecánico y eléctrico adecuado para un enorme número de aplicaciones.

Podemos decir que el circuito impreso es el único componente de nuestro diseño que podemos definir y configurar prácticamente a nuestro gusto y necesidad.

Si tenemos en cuenta que en promedio constituye menos de un 10% (según el caso) del costo total, un defecto de cualquier naturaleza puede echar a perder el 90% restante.

Conociendo, aunque sea de manera superficial, los procesos que involucran su fabricación podemos prever y evitar puntos de conflicto en nuestro diseño. De esta manera facilitamos el trabajo del fabricante a la hora de resolver la manufactura de nuestro circuito y ganamos confiabilidad en el producto final.

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Caso de estudio:Circuito Multilayer: 4 layers.Espesor total: 1,60 mm aprox.Espesor de cobre: 35 µ para layers

internos y externos.No “microvias”. No “blind vias”. No

“burried vias”.

Secuencia de procesos.

FABRICACIÓN

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El núcleo o “core”

Se parte de un núcleo o “core” de material ya laminado con cobre de 35 µ de espesor en cada cara, cuyo espesor total es de 0,75 mm aprox.

Se tratan las superficies causándoles, por medio de algún tipo de pulido o micrograbado, cierta rugosidad para poder realizar el siguiente paso.

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Laminado de fotopolímero

Se aplica en ambas caras del material un recubrimiento sensible a la luz de cierta longitud de onda, por medio del cual se transferirá la imagen del circuito.

La aplicación se realiza utilizando rodillos que ejercen presión y calor de manera de optimizar la adherencia.

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Iluminado – imagen de circuito

Se superponen las películas que se filmaron previamente en negativo, teniendo en cuenta algún registro para su posición.

Se exponen ambas caras simultáneamente. Las películas permitirán el paso de la luz en las zonas no impresas, fijando así el material sensible bajo ellas.

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Revelado – fotopolímero

Utilizando una solución, aplicada generalmente por “spray” a presión, se remueve el material que no fue sensibilizado.

De esta manera queda expuesto el cobre que yace debajo.

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Grabado

Se graba el cobre que fue dejado expuesto previamente usando de máscara el fotopolímero que permaneció fijado.

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Remoción de fotopolímero

Se retira el fotopolímero quedando definido el “pattern” interno del circuito.

Luego de esta etapa se procede a la inspección óptica, ya sea humana o automatizada (AOI) del circuito que formará el “core”.

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“Brown Oxide”

Una vez inspeccionado el circuito se aplica un producto a las superficies de cobre.

Esto es debido a que el cobre sin tratar no ofrece una superficie adecuada para permitir la adherencia de las capas que se agregarán en el siguiente paso.

Prensado

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Partiendo del “core” ya preparado, se arma un “sandwich” con dos planchas de “prepreg” de 0,2 mm y una lámina de cobre de 17 µ por cada cara.

Se somete a un ciclo de presión y temperatura bajo vacío haciendo fluir la resina que estaba en “stage B” (estado de pre-curado) en los “prepreg”.

Prensado

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Terminado el ciclo de prensado, la resina deja de fluir habiendo llenado todos los espacios y se completa el curado del material.

Es importante que no hayan quedado vacíos o gases dentro del paquete prensado, ya que podrían ocasionar la posterior delaminación del circuito al someterlo a un “shock” térmico.

Perforado

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A partir de este punto se trata al circuito casi como si fuese doble faz.

Se procede a perforar, utilizando un material de entrada, generalmente aluminio, que absorbe el impacto de la mecha y ayuda a disipar calor. El material de salida o “backup” puede ser un fenólico o similar.

Se debe procurar un buen registro y calidad de perforado.

“Etchback”

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Mediante el “etchback” se expone el cobre en los “layers” internos, retirando resina y acondicionando los perforados para facilitar el posterior metalizado.

Primer metalizado

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Mediante un proceso químico, “electroless”, generalmente formulado en base a soluciones de Paladio, se forma una interfaz propicia para el posterior agregado de cobre. Este se reforzará con un nuevo depósito galvánico, pero aún débil, sin llegar al espesor final.

Laminado de fotopolímero

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De la misma manera que anteriormente se aplicó fotopolímero, se vuelve a realizar el proceso, ahora para los “layers” externos.

Iluminado – imagen de circuito

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Teniendo gran cuidado con el registro utilizado para la transferencia de las imágenes a los “layers” internos y para el perforado, se superponen las imágenes de los “layers” externos.

A diferencia del caso anterior, las películas a utilizar son positivas.

Revelado – fotopolímero

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Se revela el fotopolímero para exponer el cobre debajo de las zonas que no fueron afectadas por la luz.

Al haber utilizado un patrón positivo para bloquear la iluminación, se preparan los futuros conductores en los “layers” externos.

Cobre espesor

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Habiendo quedado al descubierto tanto el patrón de conductores como los perforados, se realiza un depósito galvánico de cobre.

Sobre la base de 17 µ que previamente se agregó al prensar, se llega alrededor de 35 µ y se refuerza el metalizado interno de los perforados.

Protección con estaño

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Se aplica químicamente estaño para proteger el depósito de cobre anterior tanto en los conductores como en los perforados.

Recordemos que todavía queda debajo cobre de base que habrá que eliminar.

Remoción de fotopolímero

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Una vez realizada la cobertura con estaño de todas las zonas que se han querido proteger, se procede a eliminar el fotopolímero.

Grabado

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El cobre de base ha quedado expuesto luego del proceso anterior.

Se graba el cobre que no está protegido por estaño, quedando formado el patrón de conductores externos.

Remoción de estaño

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El estaño que se agregó anteriormente se remueve ya que no va a formar parte del circuito final.

Nueva inspección

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El circuito se encuentra listo para una nueva inspección visual, la cual puede ser humana o asistida y automatizada (AOI).

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Se aplica sobre la totalidad de las superficies una tinta fotosensible que, una vez curada, será la máscara antisoldante o “solder resist”, encargada de proteger el circuito.

Aplicación de máscara antisoldante

Iluminado – máscara antisoldante

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Se exponen ambas caras cubiertas de máscara antisoldante, utilizando películas positivas, fijando así todo lo que no ha sido bloqueado.

Revelado – máscara antisoldante

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Se revela la máscara antisoldante exponiendo el cobre debajo de ella.

Estas zonas serán mayormente los pads destinados a ser el soporte y punto de soldadora de los componentes.

También pueden dejarse otras zonas expuestas para alguna finalidad adicional.

Aplicación máscara de componentes

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Por medios serigráficos se aplica la impresión de componentes, “overlay” o “silkscreen” con los “footprints” de los componentes utilizados, junto con todas las inscripciones adicionales que se hayan previsto.

Este proceso también puede ser fotoimageable como en el caso de las máscaras antisoldantes.

Terminación superficial

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Una de las más comunes es el HASL (“hot air solder levelling”).

Se trata de un depósito de Estaño-Plomo, que se realiza sumergiendo el circuito en un crisol con esta aleación fundida, retirando el exceso por medio de aire caliente a presión.

Por cuestiones de diseño y ambientales, se está migrando a ENIG.

Control final

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El circuito queda listo para su última revisión.

Tratándose de un circuito MULTILAYER seguramente se hará un testeo eléctrico, además del habitual visual y según las posibilidades del fabricante, hasta control con rayos X.

El corte de los circuitos puede ser hecho por “routing” o “V-scoring” si se trata de paneles.

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Características de materiales base IPC-4101.

Corriente admisible en conductores.Bibliografía y referencias.

ANEXOS

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Anexo IIPC-4101C Reference Chart

IPC Spec. Reinforcement Resin System ID Ref. Tg C° min. Dk @ 1Mhz

IPC-4101B/00 Cellulose Paper Phenolic NEMA XPC, UL/ANSI XPC N/A 5.6

IPC-4101B/01 Cellulose Paper Modified Phenolic NEMA XXXPC, UL/ANSI XXXPC N/A 4.8

IPC-4101B/02 Cellulose Paper Phenolic, Flame Resistant NEMA FR1, UL/ANSI FR1 N/A 6.0

IPC-4101B/03 Cellulose Paper Phenolic, Flame Resistant NEMA FR2, UL/ANSI FR1 N/A 5.0

IPC-4101B/04 Cellulose Paper Modified Epoxy, Flame Resistant NEMA FR3, UL/ANSI FR3 N/A 4.8

IPC-4101B/05 Cellulose Paper Phenolic, Flame Resistant UL/ANSI FR2 N/A N/A

IPC-4101B/10 Woven E-GlassSurface, Cellulose PaperCore

Epoxy (1), Phenolic (2), Flame Resistant NEMA CEM-1, UL/ANSI CEM-1 100° 5.4

IPC-4101B/11 Woven E-GlassSurface, Nonwoven E-GlassCore Polyester, Flame Resistant NEMA CRM-5, ANSI CRM-5/11 N/A 4.1

IPC-4101B/12 Woven E-GlassSurface, Nonwoven E-GlassCore Epoxy, Flame Resistant NEMA CEM-3, UL/ANSI CEM-3 N/A 5.4

IPC-4101B/13 Woven E-Glass Polyester (1), Vinyl Ester (2), Flame Resistant ANSI 4101/13 N/A N/A

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Anexo I (cont.)IPC-4101C Reference Chart

IPC Spec. Reinforcement Resin System ID Ref. Tg C° min. Dk @ 1Mhz

IPC-4101B/14 Woven E-Glass Surface, Nonwoven E-Glass Core Epoxy, Flame Resistant UL/ANSI CEM-3 N/A 5.4

IPC-4101B/20 Woven E-Glass Epoxy, Non Flame Resistant NEMA G10, UL/ANSI G-10, MIL-S-13949/03 GE/GEN 100° 5.4

IPC-4101B/21 Woven E-GlassDifunctional Epoxy (1)

Multifunctional Epoxy (2), Flame Resistant

NEMA FR4, UL/ANSI FR-4/21, MIL-S-13949/04 GF/GFN/GFK/GFP/GFM 110° 5.4

IPC-4101B/22 Woven E-GlassEpoxy, Hot Strength

Retention, Non Flame Resistant

NEMA G11 – GB, UL/ANSI G-11, MIL-S-13949/02 GB/GBN/GP 135-175° 5.4

IPC-4101B/23 Woven E-Glass Epoxy, Hot Strength Retention, Flame Resistant

NEMA FR5, UL/ANSI FR-5, MIL-S-13949/05 GH/GHN/GHP 135-185° 5.4

IPC-4101B/24 Woven E-Glass Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Flame Resistant

NEMA FR4, UL/ANSI FR-4/24, MIL-S-13949/04 GF/GFG/GFN 150° 5.4

IPC-4101B/25 Woven E-Glass Epoxy (1), Polyphenylene oxide (2), Flame Resistant

NEMA FR4, ANSI 4101/25, MIL-S-13949/04 GF/GFG/GFN 150-200° 4.4

IPC-4101B/26 Woven E-Glass Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Flame Resistant

NEMA FR4, UL/ANSI FR-4/26, MIL-S-13949/04 GF/GFT 170° 5.4

IPC-4101B/27 Unidirectional E-Glass, Cross-plied

Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Flame Resistant ANSI 4101/27 110° 5.4

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Anexo I (cont.)IPC-4101C Reference Chart

IPC Spec. Reinforcement Resin System ID Ref. Tg C° min. Dk @ 1Mhz

IPC-4101B/28 Woven E-Glass Epoxy (1), Non-Epoxy (2), Flame Resistant ANSI 4101/28, MIL-S-13949/04 GN/GFT 170-220° 5.4

IPC-4101B/29 Woven E-Glass Epoxy (1), Cyanate Ester (2), Flame Resistant ANSI 4101/29, MIL-S-13949/04 GN/GFT 170-220° 4.4

IPC-4101B/30 Woven E-GlassBismalemide/Triazine (BT)

(1), Epoxy, (2), Flame Resistant

UL/ANSI GPY, MIL-S-13949/26 – GIT/GMT 170-220° 4.8

IPC-4101B/31 N/A Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2) N/A 90° 7

IPC-4101B/32 Woven E-Glass Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2) N/A 90° 7

IPC-4101B/33 N/A Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2) N/A 150° 7

IPC-4101B/40 Woven E-Glass Polyimide UL/ANSI GPY, MIL-S-13949/10 GI/GIN/GIJ/GIP/GIL 200° 5.4

IPC-4101B/41 Woven E-Glass Polyimide UL/ANSI GPY, MIL-S-13949/10 GIL/GIP 250° 5.4

IPC-4101B/42 Woven E-Glass Polyimide (1), Epoxy (2) UL/ANSI GPY, MIL-S-13949/10 GIJ 200° 5.4

IPC-4101B/50 Woven Aramid Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Flame Resistant

ANSI 4101/50, MIL-S-13949/15 AF/AFN/AFG 150-200° 4.5

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Anexo I (cont.)IPC-4101C Reference Chart

IPC Spec. Reinforcement Resin System ID Ref. Tg C° min. Dk @ 1Mhz

IPC-4101B/53 Non-Woven Aramid Paper Polyimide ANSI 4101/53, MIL-S-13949/31 BIN/BIJ 220° 4.5

IPC-4101B/54 Unidirectional Aramid Fiber ,Cross-plied Cyanate Ester ANSI 4101/54 230° 4.2

IPC-4101B/55 Non-Woven Aramid Paper Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Flame Resistant

ANSI 4101/55, MIL-S-13949/22 BF/BFN/BFG 150-200° 4.5

IPC-4101B/58 Non-Woven Aramid PaperMultifunctional Epoxy (1),

Non-Epoxy (2), Flame Resistant

ANSI 4101/58 135-185° 4.5

IPC-4101B/60 Woven Quartz Fiber Polyimide, Flame Resistant ANSI 4101/60, MIL-S-13949/19 QIL 250° 3.4

IPC-4101B/70 Woven S-2 Glass Cyanate Ester ANSI 4101/70 230° 4.3

IPC-4101B/71 Woven E-Glass Cyanate Ester ANSI 4101/71, MIL-S-13949/29 GCN 230° 4.5

IPC-4101B/80 Woven E-Glass Surface, Cellulose PaperCore

Epoxy (1), Phenolic (2), Flame Resistant NEMA CEM-1, UL/ANSI CEM-1 100° 5.4

IPC-4101B/81Woven E-Glass Surface,

Nonwoven E-Glass (chopped felt) Core

Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Flame Resistant NEMA CEM-3, UL/ANSI CEM-3 N/A 5.4

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Anexo I (cont.)IPC-4101C Reference Chart

IPC Spec. Reinforcement Resin System ID Ref. Tg C° min. Dk @ 1Mhz

IPC-4101B/82 Woven E-Glass Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Flame Resistant NEMA FR4, UL/ANSI FR-4 110° 5.4

IPC-4101B/83 Woven E-Glass Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Flame Resistant UL/ANSI FR-4 150-200° 5.4

IPC-4101B/90 Woven E-Glass Polyphenylene ether, Flame Resistant ANSI 4101/90 175° 4.2

IPC-4101B/91 Woven E-Glass Polyphenylene ether, Flame Resistant ANSI 4101/91 175° 4.2

IPC-4101B/92 Woven E-Glass Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Flame Resistant UL/ANSI FR-4 110-150° 5.4

IPC-4101B/93 Woven E-Glass Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Flame Resistant UL/ANSI FR-4 110-150° 5.4

IPC-4101B/94 Woven E-Glass Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Flame Resistant UL/ANSI FR-4 150-200° 5.4

IPC-4101B/95 Woven E-Glass Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Flame Resistant UL/ANSI FR-4 150-200° 5.4

IPC-4101B/96 Woven E-Glass Polyphenylene ether, Flame Resistant ANSI 4101/96 175° 4.2

IPC-4101B/97 Woven E-GlassDifunctional Epoxy (1)

Multifunctional Epoxy (2), Flame Resistant

UL/ANSI FR-4, MIL-S-13949/04 GF/GFN/GFK/GFP/GFM 110° 5.4

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Anexo I (cont.)IPC-4101C Reference Chart

IPC Spec. Reinforcement Resin System ID Ref. Tg C° min. Dk @ 1Mhz

IPC-4101B/98 Woven E-Glass Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Flame Resistant

UL/ANSI FR-4, MIL-S-13949/04 GF/GFG/GFN 150° 5.4

IPC-4101B/99 Woven E-GlassEpoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Modified Epoxy

or Non-Epoxy (max wt. 5%) (3), Flame Resistant

UL/ANSI FR-4/99 150° 5.4

IPC-4101B/101 Woven E-Glass

Difunctional Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Modified Epoxy or Non-Epoxy (max wt. 5%) (3),

Flame Resistant

UL/ANSI FR-4/101 110° 5.4

IPC-4101B/121 Woven E-Glass

Difunctional Epoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Modified Epoxy or Non-Epoxy (max wt. 5%) (3),

Flame Resistant

UL/ANSI FR-4/121 110° 5.4

IPC-4101B/124 Woven E-GlassEpoxy (1), Multifunctional Epoxy (2), Modified Epoxy

or Non-Epoxy (max wt. 5%) (3), Flame Resistant

UL/ANSI FR-4/124 150° 5.4

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Anexo I (cont.)IPC-4101C Reference Chart

IPC Spec. Reinforcement Resin System ID Ref. Tg C° min. Dk @ 1Mhz

IPC-4101B/126 Woven E-GlassEpoxy (1), Multifunctional

Epoxy (2), Modified Epoxy or Non-Epoxy (max wt. 5%) (3),

Flame ResistantUL/ANSI FR-4/126 170° 5.4

IPC-4101B/129 Woven E-GlassEpoxy (1), Multifunctional

Epoxy (2), Modified Epoxy or Non-Epoxy (max wt. 5%) (3),

Flame ResistantUL/ANSI FR-4/129 170° 5.4

(1) Resin System Primary, (2) Resin System Secondary, (3) Resin System Secondary 2

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Anexo II

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Bibliografía y referencias Proveedores de material base (internacionales):

Arlon www.arlon.comIsola www.isola-group.comRogers www.rogerscorp.com

Fabricantes de circuitos impresos (nacionales):Dai-ichi www.dai-ichi.com.arErnesto Mayer www.mayerpcb.com.arInarci www.inarci.com.ar

Armadores (nacionales):Armados Electrónicos www.armadoselectronicos.com.arAssisi www.assisi.com.arMiteco www.miteco.com.ar

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Bibliografía y referencias Libros:

Coomb´s Printed Circuit Handbook - Clyde F. Coombs, Jr.PCB Designers´ Reference - Chris Robertson

Papers de fabricantes:Everything You Ever Wanted to Know About Laminates… but Were Afraid to AskArlon – Materials for Electronics

IPC:www.ipc.org

Normas de interés:IPC-T-50, IPC-A-600, IPC-A-610, IPC-SM-785, IPC-S-816, IPC-2221,IPC-7351, IPC-7525, IPC-7711/21

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Fabricación de circuitos impresosUTN – FRBA – Introducción a Circuitos ImpresosProfesor adjunto: Ing. Juan Manuel Cruz

Luciano A. Carcagno

FIN