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En la electrónica, la fabricación y uso de placas de circuito impreso son la base del desarrollo de la electrónica. Casi todos los días los ingenieros, técnicos y aficionados a la electrónica quieren o deben realizar proyectos, los cuales diseñan o vienen publicados en revistas, por ello se pretende en este trabajo mostrar el cómo pasar esos circuitos prediseñados a la placa en la cual se implementara el circuito en cuestión. Se nombrara como referencia algunos programas de diseño de PCB, dando para uno de ellos las direcciones de Internet donde poder encontrado, como los manuales de su uso.

Con respecto a la fabricación de placas impresas de PCB, podemos encontrar diferentes métodos, ahora el método mas usado es el tipo artesanal con el lápiz Pentel M10, el semi profesional que es el de traspaso térmico, y los de acabado más profesional como el de traspaso foto mecánico a una placa sensibilizada con algún producto sensible a la exposición de la luz.

desarrollo

FABRICACIÓN de circuitos impresos

Para la fabricación de circuitos impresos tenemos que tener en cuenta algunas cosas, como por ejemplo, si el circuito es para baja o alta frecuencia, si el circuito tendrá que soportar altas tensiones y corrientes, como también la complejidad en su diseño.

Para este ultimo punto, el diseño de circuito impresos ha tenido un avance sustancial, antes los diseños se tenían que realizar a mano, calculando las posiciones relativas de los componentes electrónicos para luego empezar a trazar las vías que conectarían estos componentes. Ese trabajo se convertía en un gran problema cuando los diseños de los circuitos eran de gran complejidad. Con el desarrollo de la informática, este proceso lo pasa a desempeñar las computadoras, allí el desarrollo fue cada vez mayor, desarrollando primero programas que permitían diseños de doble faz con un semi ruteador, el cual buscaba la trayectoria mas corta entre dos puntos. Uno de estos programas el popular y legendario Smart Work, pero la complejidad de los nuevos diseños llevo a que se desarrollaran nuevos programas que pudieran por una parte aumentar él número de fases, o caras, como él número de componentes desplegados en el diseño. Fue así, que empezaron a desarrollarse nuevos programas, los cuales se nombran a continuación.

Software	Fabricante
Easytrax	Protel Tecnology
Pcad	Micronics Tecnology
Circuit Layout	Pc Logic
TurboCad	IMSI
BoardMaker	Ohio Automation
Easy – Pc	Bsoft Software
Cadpac II Pcb II	R4 Systems Inc.
DC / CAD	Bsoft Software
Ez – Route	Advance Microcomputer
PCBorads	PCBoards
Super PC	Mental Automatiion
Tango	Accel
Eagle	CadSoft
Orcad	Orcad

El software de Cadsoft, EAGLE, es junto a TANGO y ORCAD, uno de los más conocido. EAGLE es el software que se encuentra en una versión demo, que permite no tiene restricciones de componentes, a excepción de que solo puede diseñarse placas de doble cara, o faz, y de 10 por 8 centímetros, además en su pagina de Internet, www.cadsoft.de, se encuentran los manuales de uso, junto a nuevas librerías de componentes, por ello es un programa que tiene mayor rentabilidad en su uso, ya que es de fácil uso, gran cantidad disponible, gran cantidad de manuales en la red, cosa que los otros software cuentan pero en menor proporción.

Ahora se desarrollaran los diferentes métodos de traspaso de los diseños electrónicos a las placas de circuitos impresos.

El uso de lápiz Pentel M10 a través de la guía de marcas ( puntos o agujeros).

Este método es él mas usado por los aficionados a la electrónica y por los técnicos cuando realizan prototipos de diseños. Este método es muy simple de desarrollar.

Primero, teniendo el diseño del circuito, se coloca en sobre la placa del circuito impreso ( figura 1), luego se marcan sobre ella los puntos donde van los pad o agujeros donde se colocaran los componentes del diseño ( figura 2). Luego se copiaran los trazos desde u punto a otro siguiendo el diseño que se tiene ( figura 3).

Este método es él mas barato, ya que solo hay que considerar que se gasta en la compra del lápiz, que se encuentra en librerías, y en la placa virgen.

Los inconvenientes de este método son:

Hay que darles a lo menos 3 pasadas sobre los trazos para que sea mas gruesa la película del trazo para que no se lo coma la solución que saca el cobre de la placa.
Los trazos son gruesos, por lo que el diseño de trazos finos es muy difícil de realizar.
Hay que tener buen pulso.
Es mas lento el traspaso del diseño a la placa.
Si se desean tener copias exactas de una placa diseñada de esa forma, es casi imposible duplicar las posiciones exactas de los trazos, nunca los trazos de un dibujo son iguales al otro cuando se realiza una copia a mano.

Figura 1 Figura 2 Figura 3

Traspaso térmico desde una transparencia a la placa de Pcb.

Este método es uno de los más fáciles de hacer, tan solo se necesita una transparencia térmica, la cual resiste la temperatura de una plancha para su uso en lienzo o algodón ( 130º a 146º Celsius). Una de estas transparencias térmicas es la TEC – 200, la cual es distribuida por The Meadowlake Corporation. Esta transparencia permite la fabricación de circuitos impresos en tres simples pasos:

Fotocopiando el circuito deseado a la transparencia TEC – 200, donde se usa cualquier fotocopiadora para papel.

El circuito copiado transferido a la transparencia, es nuevamente transferido a la placa colocándola boca abajo ( la cara que tiene el toner, por ello es importante sacar la imagen inversa del diseño), luego se le aplica calor sobre ella por medio de una plancha caliente o por otra fuente de calor placa. Aquí el toner se derrite y se pega en el cobre. Hay que mantener una presión sobre la transparencia, por lo que se recomienda colocar un papel o una servilleta entre la plancha y la transparencia. Si se aplica mucha presión, las líneas pueden ensanchar. Luego de unos minutos hay que quitar la fuente de calor, manteniendo de alguna manera presión sobre la transparencia hasta que se enfríe la placa, luego de eso se retira con cuidado la lamina para ver si se han adherido todos los trazos a la laca, de no ocurrir eso, hay que repetir el proceso.

Al concluir la transferencia térmica, se puede seguir con el proceso de fabricación de la placa en los solventes para el cobre.

Este método puede ser uno de los más rápidos, pero tiene el inconveniente que es muy difícil de que los trazos finos queden bien traspasados a la placa.

sistema serigrafico

Este sistema es usado también para la fabricación de placas de circuitos electrónicos. Es más difícil además de engorroso. Como lo muestra la figura 4, ese sistema es muy parecido al sistema de fotomecánica que ya desarrollaremos. Esto es ya que a una tela muy fina, conocida como muselina. Esta tela es tratada con un químico que es sensible a la luz, esto permite que al ser expuesto a la luz, se realice una transferencia negativa del diseño del circuito, es decir, lo que eran los trazos de las rutas del circuito ahora son líneas blancas, y lo que era blanco es ahora opaco. Como muestra la figura 4, al tener lista la transferencia, es esparcida una pintura que pasa a través de los poros de la parte blanca de la tela, luego es retirada la placa y se espera que se seque. Al estar seca se puede proceder a colocarla en cloruro ferrico para que se disuelva el cobre.

Figura 4

Este sistema tiene el problema que se necesita tener marcos donde colocar la tela, además de tener que colocar bisagras en los marcos. Otro problema es que para realizar circuitos pequeños hay que usar mucha madera, y que cuando se quiera guardar las matrices, ocuparían mucho lugar. Por esto ultimo el sistema de la fotomecánica es él más rentable de todos, ya que la fotomecánica perdura en el tiempo, no ocupa espacio, el costo de su diseño es bajo, la presentación final de los circuitos de alta calidad.

FOTOMECÁNICA

La fotomecánica es el mejor sistema para traspasar de un papel a la placa, sensibilizada por ejemplo con positiv 20, el diseño de un circuito impreso. Este método es fotográfico, permite obtener un negativo del circuito original. Esta fotomecánica tiene la particularidad de ser un negativo fotográfico de alto contraste, esto significa que no tiene escala de grises, las zonas oscuras son negras y las claras, transparentes. Al hacerse una foto me canica hay que emplear un negativo llamado Kodak Lite, de Kodak, el costo de una hoja tamaño carta bordea a los 600 pesos chilenos. Con ese tamaño se pueden realizar varias matrices. Para realizar el proceso se necesitan los siguientes materiales:

Producto	Precio estimado ( pesos)
1 hoja de kodak Lite	600
Revelador fotográfico D-11 ( para 1 L)	1000
Fijador fotográfico ( Tiossulfato de sodio)	1000
2 cubetas del tamaño necesario	2000

Ahora el proceso para traspasar y generar un negativo del circuito original a Kodak Lite, utilizando un original impreso en papel diamante a una resolución alta es el siguiente:

- Se ajusta una maquina ampliadora de fotografía a una abertura de diafragma de 8, a una distancia de 36 centímetros entre la base donde se colocara la película de Kodak Lite ( figura 5).

- Se ajusta el timer de la ampliadora a 2 segundos ( figura 5).

Figura 5

- Se apaga la luz y se enciende la luz de seguridad roja.

- Se coloca el papel diamante con el circuito impreso sobre el un pedazo de película de Kodak Lite, que sea por lo menos 1 centímetro más ancho por lado al tamaño de la impresión del circuito, y se coloca un vidrio sobre ellos para que queden bien unidos ambos, se presiona el reloj timer, este se apaga automáticamente después de 2 segundos de exposición.

- Sacar la película y depositarla en la cubeta que contiene un litro aproximadamente de revelador fotográfico D – 11, agitar la cubeta por unos minutos 4 a 5 minutos. Al apreciarse ya los trazos de las pistas, saca la película y lavarla con abundante agua, sin que se toque la zona revelada, es importante que no se deje por un tempo prolongado la película en el revelador ya que se causaría el mismo fenómeno de sobre exposición que al exponerla a la luz. Luego, depositarla en la cubeta que contenga un fijador de películas fotográficas, puede ser uno a base de tiossulfato de sodio al 70 – 80 %, aquí se le deja de 5 a 10 minutos para que se fije bien la imagen a la película. En fotografía, entre mas tiempo se deje en el fijador, mas tiempo durara la imagen en la película. Es importante que ambos líquidos estén a una temperatura ambiente de 20º Celsius, ya que los químicos son muy sensibles a la temperatura.

- Al tener la imagen fijada a la película, hay que volver a lavarla con abundante agua, dejándola secar después.

Después de estos pasos, ya se tiene una matriz que es el negativo del original expuesto. Si el original era un positivo ( imagen real) del circuito, y se esta usando una placa sensibilizada con un liquido que trabaja al positivo, positiv 20, hay que realizar nuevamente todos los pasos anteriores, pero esta ves con el negativo obtenido. Luego se tendría un positivo del circuito, el cual se emplearía para hacer un circuito impreso, tal cual se explico en el uso de positiv 20.

Los tiempos dados son exactos, solo se pueden cambiar si es que cambia alguna variable como el tipo de luz, intensidad, diafragma, tipo de papel del circuito impreso original, ahora siempre es bueno chequear los tiempos dados, a través de pruebas de contacto, que viene a ser el procedimiento pero tomando diferentes tiempos de exposición. El resultado de todo este proceso se observa en la figura 6, negativo del original, y figura 7, positivo del original.

Figura 6 Figura 7

Es muy importante tomar las medidas de seguridad correspondiente al empleo de elementos químicos, ya que la ingesta, contacto e inhalación de los gases causados por ellos nocivos para el ser humano.

Positiv 20

Este proceso es uno de los más utilizados para la fabricación de circuitos. Este es un producto conocido como photo-resist. Su traspaso es positivo, por lo cual se puede utilizar una copia del diseño de una revista o el impreso desde un computador. El positiv 20 viene en spray de 200 ml. A continuación explicaremos el método del uso de positiv 20 en 8 pasos.

1. pretratamiento de la placa.

La superficie del cobre debe estar limpia, sin polvo ni otro elemento superficial. Además no debe de tener grasa, la cual proviene de la manipulación de los dedos de las manos. Para limpiarlo un buen y efectivo método es limpiarla con agua tibia y Vim ( limpiador de piso a base de cloro), pasándole una virutilla muy fina para ollas, luego hay que dejar que corra el agua para sacar todo el producto que pueda contener la placa, luego hay que tratar de pasarle agua bien caliente, eso para que seque mas rápido y no deje el agua marcas ni que de la posibilidad de que se oxide el cobre.

2. aplicación de positiv 20.

Ya que es sensible a la luz ultra violeta, hay que aplicarlo en un cuarto oscuro, o en un lugar donde la luz sea muy tenue e indirecta. Además la atmósfera debe estar libre de polvo. La placa debe ser colocada de forma horizontal y debe aplicarse el spray a unos 20 centímetros de distancia. Para darle una mayor uniformidad se aconseja esparcirlo en líneas serpenteantes desde la esquina izquierda superior, esto para que el producto baje de forma pareja, a veces cuando es mucho el producto se puede mover la placa para que se esparza de manera más pareja. No debe aplicarse una capa muy gruesa del producto, ya que se pierde además de que no se gana mayormente. De ser muy gruesa la capa esparcida. Se tomara mas tiempo en el proceso de exposición a los rayos ultravioleta.

3. secado.

Para el secado se aconseja que se haga en un ambiente seco, oscuro y a una temperatura ambiente, esto tomaría como máximo 24 horas para secar, se puede colocar en un horno a una temperatura de unos 70 º Celsius por unos 20 minutos, sobre esa temperatura se correrá el riesgo de estropear la placa.

4. circuito poitivo original.

El circuito original debe ser entregado en positivo ( imagen verdadera), ya que este producto trabaja con el positivo de la imagen. El circuito debe ser hecho con tinta que no permita el paso de la luz ultra violeta, como lo es la tinta china.

5. EXPOSICIÓN.

El tiempo de exposición depende de varios factores, de la transparencia del papel, film u otro donde este el diseño del circuito, el grueso de la capa de positiv 20 aplicada, y de la intensidad y distancia de la luz ultra violeta. Ya que es sensible a la luz ultravioleta se pueden emplear lámparas de vapor de mercurio de 150 W, o cualquier otra lámpara para solarium, de 300 W. Esta ultima lámpara puede ser la OSRAM Ultra - Vitalux de 300 W. En la practica sé a comprobado algunos tiempos relativos para la exposición. A continuación se entregan los tiempos relativos que deben utilizarse para la exposición según el medio en el que se encuentre el diseño del circuito.

Tiempo Recomendado ( minutos)	Medio
5 – 6	Papel Diamante o Vegetal
6 – 7	Papel Corriente
5	Fotomecánica

Hay que destacar categóricamente que estos son tiempos relativos tomados cuando la lámpara esta a unos 30 centímetros de distancia de la placa. Además como el grosor de la película del positiv 20 varia de una aplicación a otra, hay que hacer pruebas de exposición, esto es un método usado en fotografía, el cual se explicara cuando se vea como hacer una plantilla de fotomecánica. Entonces es importante probar los tiempos que se puedan utilizar, ya que cada persona tiene sus preferencias. La figura 8, muestra una placa en la cual se utilizo papel diamante como medio donde estaba el diseño del circuito, aquí se ve como el tiempo no fue el ideal ya que hubo partes que fueron sobre expuestas y otras no, eso se debe a que la impresión sobre ese tipo de papel no se impregna en totalidad. Por otro lado la figura 9, muestra otra placa con el mismo diseño, pero sé a ocupado papel como medio donde se imprimió. Aquí se observa que no se sobre expusieron a la luz ultra violeta, ya que los pad son de mejor definición. Hay que destacar algunas cosas de estas figuras, primero, estas placas no fueron esparcidas de forma pareja con positiv 20, por lo que se notan manchas en algunos lugares, segundo, él la figura 6 se notara que hay pelusas que fueron rociadas con positiva 20, se observa ahora él porque de tener cuidado en la aplicación del positiva 20.

Figura 8 Figura 9

6. desarrollo de la placa expuesta.

Luego de ser expuesta la placa, el desarrollo de la placa es muy importante. Para esto se emplea una solución de agua, destilada de preferencia, con 7 gramos de soda cáustica diluida. Es importante tener cuidado con las manos, ojos y piel, ya que la soda cáustica es corrosiva. Hay que colocar la placa y dejarla entre unos 20 segundos a un máximo de 2 minutos. Hay que ir mirando como va el desarrollo de la placa, ya que empiezan a aparecer los trazos de las pistas del circuito. La figura 10 muestra una placa que fue expuesta en forma correcta a la luz ultra violeta, como a la vez a una cantidad de desarrollo exacto. Como se ha mencionado, este proceso es un proceso similar al fotográfico, por lo que la placa, al igual que una película fotográfica, pueden sobre exponerse tanto por una larga exposición a la luz o por una prolongada exposición a la soda cáustica. La figura 11, muestra una placa sobre expuesta y la figura 12, una placa con insuficiente exposición.

En el caso de la soda cáustica, es fácil poder determinar el tiempo que debe estar la placa en la solución, ya que se observa cuando empiezan aparecer los trazos.

Figura 10 Figura 11 Figura 12

Es importante que después de desarrollar la placa, se lave ella con mucho agua para poder sacar toda la soda cáustica que le pudiera quedar impregnada. Además, al momento de colocarla en el perclorato ferrico, puede producirse una reacción química indeseada, además de los gases debido a ella. Es importante que todas estas operaciones con químicos, se hagan en ambientes ventilados, ya que la aspiración de ellas pueden producir intoxicaciones como quemaduras en las mucosas ( boca, ojos, garganta, pulmones).

La figura 13 muestra la disposición de la lámpara de exposición de UV.

Figura 13

7. DISOLUCIÓN del cobre.

Conocido con la palabra en ingles, Etching, este proceso se puede realizar con diferentes productos. Él más conocido es el perclorato ferrico, también se puede usar perclorato de amonio, ácido clorhídrico y ácido hidrofluodrico.

Él mas recomendado, por su seguridad, disponibilidad en el mercado y costo es el perclorato ferrico, diluido al 35% a 40% a unos 45º Celsius. El tiempo es relativo a la cantidad de solución empleada, temperatura, usos anteriores. Cuando es nueva la solución, a unos 30º Celsius, toma de 15 a 25 minutos la corrosión del cobre, por ello es bueno ir chequeando la evolución del proceso. La figura 14 muestra los errores que se producen por no dejar mucho o poco tiempo la placa en la solución. En verde se ve una buena disolución del cobre, en azul mucho tiempo en la solución por lo que el cobre se disuelve demasiado, y finalmente en amarillo, una pobre disolución del cobre por tener la placa poco tiempo en el corrosivo..

Figura 14

8. REMOCIÓN del positiv 20.

Al tener terminada la placa hay que sacar el positiv 20 que queda pegado al cobre, para ello se puede usar diferentes productos, como acetona, pulidor para bronce Braso, o jabón con una virutilla fina de ollas, con lo ultimo se aprovecha de dejar la placa brillante.

conclusiones

Se pueden sacar diferentes conclusiones de este trabajo, empezando por una comparación entre los métodos, de allí se ve que el método más barato va a ser el del lápiz Pentel M10, ahora el más exacto y profesional es el de fotomecánica, este tiene un costo menor al sistema de serigrafía, además que toma menos tiempo el prepararlo, como además es menos engorroso en comparación con la serigrafía. La fotomecánica permite obtener copias iguales de un circuito impreso, no se daña fácilmente, y además ocupa menos espacio.

A continuación, a modo de conclusiones, se enumeraran en unas tablas los factores favorables y desfavorables de cada método.

Uso de lápiz Pentel M10.

Factores favorables

Factores desfavorables

- Bajo costo de los insumos.

- No permite copias exactas de un circuito a otra copia.

- No permite líneas finas o detalles.

- Hay que repasar a lo menos 3 veces un trazo.

Traspaso térmico desde una transparencia a la placa de Pcb.

Factores favorables

Factores desfavorables

- Rápida transferencia del circuito a la placa.

- Costo mediano ( 10 transparencias U$ 20 aproximado ).

- Tiene que estar sin humedad las laminas térmicas.

- Difícil obtención de líneas finas.

- Dependencia de maquinas fotocopiadoras que acepten transparencias térmicas.

- Difícil adquisición de las transparencias térmicas en el mercado local.

Sistema serigráfico

Factores favorables

Factores desfavorables

- Permite la fabricación de gran cantidad de placas a un menor costo.

- Dificultad para conseguir los químicos fotosensibles, además de las tela muselina.

- Engorroso método de fabricación de la matriz serigrafía.

- Uso de gran espacio para almacenar las matrices.

- Gran cantidad de cuidados para que no estropear las matrices serigráficas.

Sistema Fotomecánica

Factores favorables

Factores desfavorables

- Bajo costo de producción.

- Permite hacer muchas copias de un mismo circuito.

- El almacenamiento de las matrices es pequeño.

- No se destruyen con facilidad.

- Fácil fabricación.

- Rentabilidad alta en comparación a los demás métodos descritos.

- Alta calidad de las matrices.

- Gran calidad de los circuitos impresos creados con estas matrices.

- Dependencia de un cuarto oscuro.

- Uso de químicos tóxicos e inflamables.

- Dependencia de placas foto sensibles y lámparas UV.

Positiv 20

Factores favorables

Factores desfavorables

- Bajo costo de producción.

- Fácil fabricación.

- Gran calidad de los circuitos impresos creados con estas matrices.

- Dependencia de un cuarto oscuro.

- Uso de químicos tóxicos e inflamables.

- Dependencia del químico foto sensibles y lámparas UV.

Según las tablas anteriores, el sistema de la fotomecánica tiene mas ventajas que desventajas, es más cómodo de usar, pero depende del positiv 20, pero este ultimo puede hacer uso de otras matrices, como la impresión directa desde una impresión en papel, cuya calidad es aceptable. El tiempo de exposición juega un rol importante, ya que si se expone por mucho tiempo una placa como la película Kodak Lite, estas se sobre exponen, con lo cual los trazos quedan débiles y pueden ser disueltos por los corrosivos que se empleen, por eso hay que hacer pruebas de contacto, para poder estimar los tiempos exactos de exposición. .

Todos los métodos mencionados son de gran ayuda en el desarrollo de la fabricación de placas para prototipos o sistemas finales. Cada uno de ellos tienen ventajas y desventajas, por lo que se le deja a cada uno la elección del método que mas le acomode.

BIBLIOGRAFÍA

- Electivo de fotografía, Universidad de la Frontera, 1996.

- Manual de bolsillo de fotografía, Kodak, 1991.

- http://www.aracnet.com/~gpatrick/

- http://www.robohoo.com/individuals.html

- http://www.geocities.com/SiliconValley/Park/6614/ehobby.html

- Experiencias personales.

- Manual de información técnica de Positiv 20, CRC Industries Europe, 1986.

- Daniel Morales, Estudiante de Ingeniería Electrónica USACH.

- Revista Electrónica Cekit año 1 Nº 6

- Revista Electrónica Cekit año 1 Nº 7

- Revista Electrónica Cekit año 1 Nº 8