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El PCB, Esa Complicada Tarjetita Verde

POR: JESUS CASTANE

Cuando alguien me pregunta, “¿A qué te dedicas?”, sé que empieza la ardua tarea de explicar mi trabajo. “Soy diseñador de PCBs”, respondo. “Y si tienes unos minutos te explicaré en qué consiste.”

Empiezo así: “PCB viene del inglés, Printed Circuit Board que en castellano sería Tarjeta de Circuito Impreso. Un PCB es la tarjetita de color verde que se encuentra dentro de cualquier aparato electrónico. Desde una radio hasta tu teléfono móvil”. Si soy afortunado mi interlocutor habrá probado a desmontar un aparato alguna vez y habrá visto en su interior un PCB.

Lo primero que nos encontramos al desmontar un disco duro es un PCB.

“Esta tarjetita tiene componentes montados sobre ella. Componentes de todo tipo: procesadores, conectores USB, LEDs, displays… Estos componentes se encuentran conectados a través de cables que están “impresos” en el PCB, de ahí su nombre Printed o Impreso” continúo. “Lo cierto es que no están impresos pero no hablaremos del proceso de fabricación esta vez”.

Un PCB al detalle

En términos más precisos, un PCB consiste en un conjunto de capas de material conductor separadas por capas de material aislante, también llamado material dieléctrico. El material conductor es cobre y el material dieléctrico suele ser una fibra vidrio llamada FR4.

Las capas conductoras tienen grabadas un patrón de conductores. Estas capas se conectan entre sí a través de agujeros metalizados que atraviesan las capas dieléctricas. El patrón de conductores define las llamadas pistas (aquellos cables impresos mencionados anteriormente). Los agujeros metalizados reciben el nombre de vías.

Las capas exteriores de cobre están cubiertas por un capa protectora, a menudo de color verde, que caracteriza a los PCBs.

Además un PCB puede contener agujeros para la sujeción, elementos de marcaje como etiquetas o serigrafía, elementos de disipación de calor…

En ambas caras del PCB puede haber montados componentes electrónicos. El conjunto de pistas y vías conecta eléctricamente estos componentes.

La primera imagen es un conocido PCB, el Raspberry PI. La segunda imagen es un corte transversal de un PCB. Se puede ver las diferentes capas que lo forman, una vía, varias pistas en ambas caras del PCB y un componente montado en la cara superior. ¿Cuántas capas de cobre hay en este PCB? ¡Cuatro! Fuentes: Fuente1Fuente2

Las dos funciones básicas del PCB son: proveer el soporte mecánico para el montaje de componentes electrónicos y conectar eléctricamente estos componentes.

Durante muchos años los PCBs no tuvieron otras funciones, eran meros elementos de sujección que proveían conectividad. Pero esto ha cambiado en las últimas décadas.

Un antiguo PCB. Un claro ejemplo de las funciones básicas del PCB.

 

El avance tecnológico y el aumento de la complejidad de los PCBs

El actual desarrollo tecnológico, impulsado por la Ley de Moore, ha supuesto una miniaturización de los componentes electrónicos y un aumento de las velocidades de procesamiento. Esto ha incrementado el número de requerimientos a nivel de PCB.

  • El tamaño reducido de los componentes permite una mayor integración en un menor espacio. Al mismo tiempo, los componentes electrónicos disipan calor durante su funcionamiento y este calor aumenta la temperatura localmente. Una mayor temperatura acorta la vida útil de estos componentes.  Por tanto el comportamiento térmico del PCB es un nuevo requerimiento en los actuales diseños.

  • La alta densidad de componentes, junto a velocidades de transmisión más rápidas, provoca una interacción no deseada entre estas señales. Los requerimientos en cuestión de ruido, acoplamiento entre señales y alimentación son cada vez más exigentes.

  • Para facilitar la transmisión de estas señales de alta velocidad su amplitud se ha reducido de 5V a 3,3V o incluso 1.2V (como en las memorias DDR4). La manera de distribuir la alimentación en un PCB es un punto crítico en los diseños actuales.

  • El diseño de dispositivos portátiles es cada vez más orgánico con envolturas mecánicas más pequeñas y complejas. La integración de un PCB en estos productos exige de un delicada definición mecánica e interacción con el departamento de diseño mecánico.

  • En el actual mercado global el tiempo entre la concepción de un producto y su salida al mercado se ha acortado extremadamente exigiendo que el PCB sea fabricado de forma rápida, fiable y económicamente competitiva. Un diseño fallido puede provocar que la siguiente versión llegue demasiado tarde al mercado.

 

El diseñador de PCB y la negociación de requerimientos

Históricamente los PCBs han sido diseñados por ingenieros electrónicos, pero actualmente es más frecuente el perfil de diseñador de PCBs. Esto se debe a la creciente complejidad de los PCBs, mencionada anteriormente, que exige de un conocimiento especializado para realizar un diseño satisfactorio.

La función del diseñador del PCB es realizar un diseño que funcione dentro de las especificaciones y que sea posible de fabricar de forma fiable y económica. Esta aparentemente sencilla tarea requiere de una intensa labor por parte del diseñador de PCBs.

Los requerimientos para un diseño de PCB son definidos por diferentes agentes. El ingeniero electrónico define el esquema eléctrico, es decir, los componentes electrónicos y la conectividad entre ellos. El ingeniero mecánico define aspectos como el tamaño del PCB, la posición de conectores y la sujeción del PCB a su envoltura mecánica. El fabricante de PCBs, por otro lado, tiene su propio proceso de fabricación con sus capacidades técnicas y tolerancias. Y por supuesto, existe un jefe de proyecto que definirá la planificación temporal para el desarrollo del proyecto,

En medio de todas las figuras está el diseñador de PCBs. Él o ella tendrá que interactuar con cada una de estas partes para recopilar todos los requerimientos, liderar la negociación entre los diferentes agentes cuando ciertos requerimientos sean imposibles de cumplir, sugerir cambios que mejoren el producto final, comunicar a todas las personas involucradas la evolución del diseño y un sinfín de tareas más. La labor del diseñador de PCBs resulta clave para el éxito de todo proyecto electrónico.

El actual reto

Cada vez son más frecuentes PCBs que incluyen cientos de componentes, miles de pistas rutadas en múltiples capas y varios componentes de alta velocidad con cientos de conexiones. Diseños para ambientes industriales donde la temperatura ambiente es 40º y donde el comportamiento térmico del PCB es clave. Dispositivos portátiles con una capacidad de procesamiento que hace una década ocupaban diez veces más. Y todo esto debe ser desarrollado en tiempo record para que la salida al mercado del nuevo producto cumpla las expectativas del usuario.

Sin duda, el diseño de PCBs es uno de los retos más importantes que afronta la ingeniería electrónica a día de hoy.

FUENTE: https://es.resources.altium.com/blog-de-dise%C3%B1o-de-pcb/el-pcb-esa-complicada-tarjetita-verde

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