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SUBSECRETARÍA DE EDUCACIÓN SUPERIORDIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN SUPERIOR TECNOLÓGICA
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE QUERÉTARO
DISEÑO Y MANUFACTURA DE CIRCUITOS IMPRESOS
MEMORIA DE TRABAJO DE INVESTIGACION
Para la materia deTALLER DE INVESTIGACION II
Presenta
JESÚS IVÁN VEGA RAMÍREZMARIO AARÓN JIMÉNEZ ARÁMBURO
PABLO MISAEL RUBIO PONCE
Abril 2012
Equipo 2
ÍNDICE:
Introducción……………………………………………………………………………2
Justificación……………………………………………………………………………3
Alcances y limitaciones……………………………………………………………….4
Objetivos………………………………………………………………………………...4
Metodología…………………………………………………………………………….5
Fundamento teórico…………………………………………………………………..7
Resultados de las encuestas……………………………………………………..…14
Presupuesto…………………………………………………………………………..16
Conclusión…………………………………………………………………………….17
Referencias Bibliográficas…………………………………………………………..18
1
INTRODUCCION:
Las placas de circuitos impresos son las bases de la electrónica industrial. Sin esta
tecnología los aparatos electrónicos serían imposibles de hacer, como por ejemplo,
la computadora personal.
Antes de la invención de las placas de circuitos impresos en los años 1950, el equipo
electrónico estaba construido completamente a mano o usando maquinas mecánicas
para el montaje individual de los componentes. Las uniones estaban hechas con
cables de cobre unidas, por ejemplo, a los grandes bulbos fabricados en esa época.
Este proceso era lento, con demasiados errores, y no se prestaba para la producción
en masa, algo demasiado importante hoy en día.
Los circuitos impresos superan estas deficiencias al proporcionar una base rígida
donde montar los componentes y pistas de cobre que conectan a estos
componentes, en lugar de cables. Los circuitos impresos se pueden fabricar en todo
tipo de tamaños y formas y se pueden encontrar en caso todos los productos
electrónicos, desde las computadoras, televisores, celulares, juguetes, etc.
Básicamente los circuitos impresos son tableros rígidos (generalmente de fibra de
vidrio) que tienen una delgada capa de cobre en una de las caras. Se usa un método
llamado serigrafía, que es usado para realizar circuitos impresos de alta calidad, en
el que porciones de cobre son removidos seleccionando las pistas las cuales unirán
a los componentes del circuito. A esto le llamamos circuito impreso. El proceso es
bastante rápido, libre de errores, y se puede pensar en producción a grandes masas.
En pocas palabras la placa de circuito impreso o simplemente placa (en inglés: PCB
–Printed Circuit Board-) es, básicamente un soporte para un circuito electrónico.
Consta de un material base, aislante, sobre el que se disponen pistas conductoras,
generalmente de cobre, que conforman el conexionado entre los distintos
componentes.
2
JUSTIFICACIÓN
Esta investigación reunirá toda la información teórica, datos y opiniones sobre la
utilización de circuitos impresos, el método de serigrafía y los diferentes softwares
para diseño de circuitos, todo esto con la finalidad de concluir si es viable la creación
de una empresa dedicada a ofrecer este servicio, ya que estamos interesados en
crearla.
Para cualquier empresa antes de ser establecida es importante tener bases fuertes
para lograr un funcionamiento adecuado y ganancias una vez puesta en marcha.
Esta investigación decidirá si continuamos con el proyecto o no, dependiendo lo que
los resultados muestren, es decir, mostrara si es viable o no la creación de la
empresa.
Al realizar la investigación antes de arrancar la empresa prácticamente se está
asegurando el buen funcionamiento de la misma, dado que, se tendrá conocimiento
de los métodos, se sabrá cuál es la inversión necesaria para comenzar, y si la
empresa realmente es puesta en marcha será porque los resultados obtenidos
muestran la necesidad de un negocio de este índole lo cual significa que se tendrán
buenos rendimientos económicos.
Además de ser una investigación útil para los interesados en crear una empresa
puede ser una guía para estudiantes que tengan los deseos de realizar circuitos
impresos de buena calidad dado que muestra de manera detallada y a manera de
taller el método de serigrafía y algunos softwares de diseño.
La importancia de una empresa de este tipo es que los estudiantes e incluso algunos
profesionistas pierden mucho tiempo en la creación de sus circuitos impresos que
además suelen ser de mala calidad por los métodos que utilizan, es por eso que es
necesario una empresa que con un poco más de inversión que la necesaria para
realizar circuitos caseros haga esta parte del trabajo asegurando productos de
calidad, en tiempo y forma.
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ALCANCES
Con la ejecución de esta investigación se beneficiara a estudiantes y profesionistas
que en la carrera o trabajo hacen uso de circuitos eléctricos, esto para la ciudad de
Santiago de Querétaro. Identificando que tan necesario es, cuanto pagarían por el
servicio y si existen empresas que se dedique a esta actividad, de esta manera se
busca obtener un beneficio económico de la necesidad de dicho servicio en la
ciudad.
LIMITACIONES
Esta investigación está totalmente orientada a alumnos y profesionistas dedicados a
la electrónica o que hagan uso de ella. El resultado final de esta investigación
depende en un buen porcentaje de la opinión de los alumnos, ¿Solicitarían el
servicio? ¿Cuánto pagarían?, y en el caso de la creación de la empresa las
ganancias dependerán en gran parte de los temarios y la exigencia de los profesores
en la calidad de los trabajos que debe entregar sus estudiantes.
OBJETIVOS:
Determinar la viabilidad del proyecto expuesto, su rentabilidad, sus ventajas y
su monto de inversión.
Se analizaran los riesgos inherentes al mismo.
Obtener información fiable, para que la empresa funcione de forma correcta.
Conocer y manejar el diseño de circuitos eléctricos por medio de software.
Aprender el método de impresión de circuitos eléctricos por medio de la
serigrafía, y desarrollarla para obtener un producto de buena calidad.
Tomar una decisión basados en una investigación objetiva y confiable.
Respetar el resultado de la investigación, si indica que es viable la empresa
seguir con su desarrollo o en caso contrario dar fin con el proyecto.
METODOLOGIA
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La metodología que ocupamos fue el análisis y síntesis ya que descompusimos y
analizamos las distintas partes del método de serigrafía para la elaboración de
circuitos impresos.
Decidimos utilizar esta metodología ya que consideramos que es el más adecuado
para nuestro propósito de la investigación, que es conocer de manera profunda el
proceso de manufacturación de PCBs con la técnica de serigrafía para que podamos
reproducirla de manera adecuada y eficiente.
Pero, ¿Por qué esta metodología?
La definición de este método nos dice que el análisis es la descomposición de algo
en sus elementos, es decir, consiste en la separación de las partes de un todo para
estudiarlas en forma individual. Y síntesis es la reconstrucción de todo lo
descompuesto por el análisis.
Así que comenzamos recolectando información en distintos medios entre ellos varios
libros, pero sobre todo internet ya que en este medio se encuentran enormes
cantidades de información, que van desde artículos, foros y blogs hasta videos.
Después seleccionamos y resumimos la información obtenida, y la analizamos parte
por parte y observamos las distintas etapas del proceso el porqué y como utilizar
ciertos materiales. Y mediante varios videos observamos a detalle cada paso del
proceso de manufacturación.
Por eso utilizamos este método, que como podemos ver, nos ayuda a comprender de
manera más completa cada paso de este método de manufacturación. Así como los
elementos que se utilizan en este.
Y después de estudiarlo de manera “individual”, es decir parte por parte, juntar todos
los conocimientos obtenidos para después hacer un análisis general, y conociendo
cada parte del proceso de manera detallada, nos fue más fácil comprender todo el
proceso en general, lo que nos permitirá realizar PCBs de manera eficiente.
5
También realizamos un estudio de mercado, ya que queremos comenzar una
empresa de elaboración y diseño de circuitos impresos. Por eso se realizaron una
encuesta a 40 estudiantes del Instituto Tecnológico de Querétaro de los cuales 20
fueron de la carrera de Ing. Meca trónica y otros 20 de Ing. Electrónica, ya que están
muy relacionados con nuestro tema de investigación.
Finalmente se realizo el presupuesto, es decir la cotización para las materias primas
necesarias para arrancar con el negocio, cabe mencionar que algunos de los
materiales como son: Las luces UV, el bastidor y el emulsionador, contamos con
ellos (el caso de las luces UV) o podemos fabricarlos (bastidor y emulsionador). Esta
información se encuentra en el apartado con el mismo nombre.
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FUNDAMENTO TEORICO:
El diseño y manufactura de circuitos impresos es una mezcla compleja de ciencia y
brujería, brujería porque requiere intuir y adivinar al inicio y ciencia porque es lineal,
un proceso, de alrededor de 12 pasos rígidamente estructurados. (Byers, 1991)
El diseño y manufactura de circuitos impresos es un tema que abarca dos grandes
ramas, por una parte el diseño del circuito a imprimir por medio de un software; y
elección del software, y por otro lado, el método preciso y accesible para la impresión
de estos circuitos ya diseñados sobre una placa de cobre.
El PCB, consta de dos caras en una de ellas, la llamada cara de componentes
(components side), se colocan los componentes mediante la inserción de sus patillas
en agujeros pasantes, llamados taladros o drill (también se pueden colocar sin
necesidad de agujeros pasantes: son los llamados componentes de montaje
superficial); la otra cara llamada cara de soldadura (solder side), incorpora las pistas
de cobre (track) que unen las distintas patillas de los componentes; es en esta cara
donde se realiza la unión o soldadura de la patilla con la pista de cobre. Son los
llamados PCB monocapa.
Conforme aumenta la complejidad del circuito, puede ser necesario trazar pistas
tanto por la cara de componentes como en la de soldadura. En este caso los
agujeros pasantes deben ser metalizados, es decir recubiertos de cobre para permitir
la unión eléctrica entre las pistas de la cara de soldadura y la de componentes;
además estos agujeros no solo sirven para la inserción de componentes sino que
pueden servir simplemente para realizar la conexión entre las dos caras, entonces se
llaman vías. Son los llamados PCB bicapa.
Con la incorporación de la tecnología de montaje superficial (SMT: Superficial Mount
Technology) la colocación de componentes no se ciñe solo a la cara de
componentes sino que se colocan también en la soldadura, aumentando así la
densidad de componentes en la misma área de placa.
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Conforme aumenta el número de componentes a colocar, también aumenta el
número de pistas a realizar, siendo insuficientes las dos caras de trabajo. Para evitar
tener que aumentar el área de trabajo se desarrolla la tecnología multicapa en la cual
se generan pares de caras que se van superponiendo en forma de “sándwich” y que
se conectan mediante vías.
En los PCB, más que hablar de componentes (resistencias, condensadores,
integrados, etc.) se debe hablar de encapsulados. El objetivo principal del
encapsulado es proteger al componente, darle rigidez mecánica y disipar el calor
generado en su interior.
La mayoría de los componentes se representan por su silueta serigrafiada sobre la
placa. Tanto la silueta como una letra de referencia indican el tipo de componente. La
silueta se conoce como SILKSCREEN y la referencia como COMPONENT
REFERENCE DESIGNATOR (CRD). La silueta sirve para posicionar correctamente
el componente y la referencia para distinguir el componente entre el resto.
Existen distintos caracteres para indicar la referencia pero suele ser común indicar:
Condensadores…………………………..CCondensadores polarizados…………… C+Pack de condensadores………………... UChoque…………………………………… LConector………………………….............JCristal…………………………………….. Y o XTDiodo………………………………………DFiltro…………………………………........ FLFusible………………………………........ FBobina……………………………………..LCircuito integrado………………………...U o ICOscilador…………………………………. YPotenciómetro………………………........RRelé………………………………………..KResistencia………………………………. RPack de Resistencia……………………..UTransformador…………………………… TInterruptor…………………………………S
8
Punto de Test……………………………. JTermistor…………………………………. RTResistencia Variable……………………. POTRectificador………………………………. VRRegulador de tensión…………………… U
De acuerdo a algunos autores como Byers y Ma Auxilio Recasens existen algunos
procesos ya estructurados para el diseño de los circuitos impresos de calidad, a
continuación nombraremos estos pasos:
Los pasos a seguir son:
1. Diseñar el circuito2. Crear un prototipo3. Checar si tiene errores el prototipo4. Verificar el diseño del circuito5. Definir el tamaño y forma del circuito6. Asignar entradas a los paquetes IC 7. Colocar las partes en el circuito8. Colocar las pistas de conexión en el circuito9. Revisar que no existan errores en el cableado10.Dibujar el circuito para la elaboración del circuito impreso,11.Fabricar el circuito12.Probar y depurar el circuito
(Byers, 1991)
En este trabajo de investigación todos los puntos mencionados son importantes, e
investigaremos cada uno de ellos, tanto su desarrollo, como los puntos importantes a
tomar en cuenta.
Existe gran variedad de métodos para la elaboración de circuitos impresos, nosotros
nos centraremos en el método de serigrafía, ya que consideramos es el método más
conveniente para nuestro propósito.
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MÉTODO DE SERIGRAFÍA
VENTAJAS
Es el método más utilizado para la impresión de circuitos
Buena calidad y bajo costo
Permite múltiples copias del mismo diseño (Producción en serie)
Buena presentación para su comercialización
Los siguientes, son herramientas necesarias para la elaboración de PCBs mediante
este método.
BASTIDOR
Es un marco de madera rectangular construido con listones de 3 cm * 3 cm que
soporta una seda fina muy templada y sin arrugas. Se puede utilizar un bastidor de
120 hilos en el que se pueden realizar las tres partes: circuito impreso, mascara
antisoldante y mascara de componentes.
EMULSIONADOR
Es una lámina larga doblada en un ángulo de aproximadamente 110°. El borde debe
ser parejo y con filo a fin de obtener una aplicación uniforme de la capa de emulsión.
TINTAS UV
Cuentan con excelentes propiedades de impresión, resistencia a los fluxes y
procesos subsecuentes. Ofrece química de un solo componente, esto se traduce en
simplicidad al aplicar, ya que no requiere de catalizadores (endurecedores) y es
posible reutilizar el remanente posteriormente. Recomendable para procesos de alta
producción y gran calidad.
Ventajas:
Bajo costo
Excelente rendimiento por kilogramo
10
Color brillante y duradero
Tiempo de curado reducido
PROCESO DE IMPRESIÓN DE CIRCUITO POR SERIGRAFÍA
APLICACIÓN DE EMULSIÓN
La emulsión se debe aplicar de forma uniforme sobre la seda sin que queden
espacios en blanco o burbujas
1. preparar la emulsión en un cuarto con muy poca luz, mezclando 9 partes de
emulsión por 1 de bicromato o revelador hasta obtener una mezcla uniforme
2. La mezcla se esparce a lo largo de la seda usando un emulsionador
3. Se aplican 3 o 4 capas de emulsión, la primera capa se aplica en el lado
posterior del bastidor, la segunda y tercera capas se aplican en el frente
4. La última capa se aplica invirtiendo la dirección del bastidor
5. Secar la emulsión, esto se puede hacer con un secador de cabello a fin de
minimizar el tiempo invertido
REVELADO
1. Una vez seca la emulsión se coloca el bastidor sobre una mesa de revelado
2. Colocar en el lado posterior del bastidor los acetatos con los diseños del
impreso. Estos se colocan en el lado contario al que vera el circuito impreso
terminado
3. Fijar los acetatos al bastidor con una cinta adhesiva transparente
4. Voltear el bastidor (los acetatos van hacia abajo)
5. Cubrir la seda con una espuma delgada y colocar un vidrio que cubra
totalmente la seda
6. Agregar peso sobre el vidrio para evitar que haya una separación entre
acetatos, seda y vidrio
7. Exponer a la luz ultravioleta durante 13 minutos
8. Pasados los 13 minutos retirar el peso, vidrio y acetatos
11
9. Lavar el bastidor inmediatamente con agua a presión por ambos lados, hasta
que se vea completamente el impreso
10.Secar la seda por ambos lados
IMPRESIÓN DE PISTAS SOBRE LA BAQUELITA
1. Colocar el bastidor sobre una mesa de vidrio, fijándola con una prensa de
bisagra de manera que permita levantarlo fácilmente sin que se mueva de su
posición
2. Colocar la baquelita exactamente debajo del dibujo del circuito impreso y
ajustar con cinta adhesiva
3. Colocar topes para que la baquelita no se mueva de su sitio durante la
impresión
4. Bajar el bastidor y aplicar la tinta UV por encima de la seda haciendo un
camino en la parte anterior del dibujo, y esparcir la tinta
5. Trazar con una espátula el diseño del circuito impreso sobre la superficie de la
tarjeta
6. Revisar que la impresión sea impecable sin corrimientos o manchas que
perjudique al impreso
7. Para el secado de tarjetas en la fabricación de impresos se usan tintas que
secan al exponerlas a los rayos UV. Dejar al menos 10 minutos en el horno
UV.
REVELADO DE LA TARJETA
1. Una vez seca la tinta se procede a bañar la tarjeta en cloruro férrico, para esto
se puede fabricar un recipiente con una pequeña bomba para que mantenga
el cloruro en movimiento. La acción corrosiva del cloruro férrico actúa sobre
las superficies que no están cubiertas por la tinta obteniendo así el circuito
impreso
2. Cuando el cobre sobrante sea removido retirar la tarjeta del cloruro férrico
para evitar el exceso de corrosión
3. Enjuagar muy bien la tarjeta para eliminar el cloruro férrico
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4. Sumergir la tarjeta en soda caustica disuelta en agua durante un minuto y
después cepillar hasta que haya caído la pintura sobrante
5. Enjuagar nuevamente hasta retirar la soda caustica
6. Secar totalmente la tarjeta
Al finalizar el revelado de la tarjeta perforar los agujeros de esta con un taladro de
árbol, retirar los residuos de las perforaciones con una esponja y limpiar la tarjeta con
una servilleta o papel higiénico.
IMPRESIÓN DE ANTISOLDER Y MÁSCARA DE COMPONENTES
Para imprimir el antisolder y la máscara de componentes se sigue el mismo
procedimiento que en la impresión de pistas, claro cada uno con su respectivo
arte.
En la impresión de antisolder se aplica tinta UV antisoldante, en mayor
cantidad y el trazado con la espátula se realiza varias veces y con fuerza para
dar una buena capa protectora. Esta tinta protege las pistas de cobre contra el
óxido y posibles cortos circuitos, además de otorgar una buena presentación.
En la impresión de la máscara de componentes la tarjeta debe colocarse del
lado contrario de las pistas y se debe revisar que los orificios coincidan
perfectamente con los dibujos de los componentes y se utiliza tinta UV de
color blanco. Esta impresión debe ser perfecta ya que esta cara indica la
posición correcta de cada componente.
Al finalizar la impresión de las tres artes en el lado de las pistas se debe aplicar una
mezcla de colofonia y thinner que evitara la oxidación de las donas y dará un
acabado más brillante a la plaqueta.
Ahora el circuito impreso está terminado y listo para ensamblar.
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RESULTADOS DE LAS ENCUESTAS:
En total los alumnos del ITQ calificaron con 6.13 la dificultad de la elaboración de los
circuitos impresos.
De todos los alumnos el 72.5% clasificaron como “muy importante” a los circuitos
impresos para su carrera.
73%
25%
2%
Importancia de los PCBMuy importanteMedianamente imp.Nada importante
El 65% de los alumnos ha fabricado PCB y el otro 35% no lo ha fabricado
65%
35%
Han fabricado PCB
SINO
El 65% de los alumnos consideran que si pagarían porque alguien más realizara su
circuito impreso y el otro 35% no pagaría (esto sin aclararles la calidad y ahorro de
tiempo que se les ofrece).
65%35%
Pagarian por que alguien real-ice su PCB
SINO
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El 97.5% de los alumnos conoce el famoso método de planchado, 25% conocen el
método de serigrafía y el 15% del total de alumnos conocen otros métodos.
05
1015202530354045 PLANCHA 39
SERIGRAFIA 10OTROS 6
Metodos más conocidos
No.
de
pers
onas
En la encuesta que realizamos nos dimos cuenta que la mayoría de los alumnos
piensa que es de dificultad media realizar el diseño de circuitos impresos, y que poco
más de la mitad pagaría por que alguien más hiciera el diseño e impresión, sin saber
que el método sería diferente al conocido por la mayoría, un método que ofrece
mucha mayor calidad de trabajo a un bajo precio, y que el diseño de la placa también
se incluye.
El campo de trabajo en esta área hemos visto que si es grande ya que tratándose de
un producto terminado de calidad, y que no absorberá tiempo a la persona que esté
desarrollando el proyecto, la mayoría pagaría por que alguien más lo hiciera.
El campo de trabajo se abre aún más cuando se ofrece estos servicios a personas ya
graduadas con algún trabajo, en donde lo que hace es desarrollar proyectos, pero si
ya desarrollarlos absorbe tiempo, gasta aún más tiempo si el mismo Ingeniero tiene
que hacer también su PCB.
Los estudiantes que han realizado circuitos impresos por el método conocido como
“La Plancha” saben que es fácil equivocarse, necesitan dedicación y tiempo para que
el circuito quede perfectamente bien y aun así suele haber errores en el diseño,
cortos en las pistas, etc.
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PRESUPUESTO
El presupuesto fue en su mayoría obtenido de precios con vendedores en línea,
específicamente en http://www.mercadolibre.com.mx/, porque es bien conocido que
los precios que ofrecen son mucho más accesibles que la mayoría de las tiendas
incluso departamentales y especializadas.
Material PrecioVidrio 1mx1mx6mm $180.00Madera $50.00Focos ultravioleta $200.00Emulsión para revelado $100.00Aplicador de emulsión $244.00Tela seda $50.00Acetatos $20.00Thinner $20.00Tinta antisoldante $400.00Cloruro férrico $60.00Soda caustica $60.00Pintura UV $60.00TOTAL $1,444.00
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CONCLUSIÓN
Existen muchos y muy variadas maneras de realizar los circuitos impresos, desde su
diseño hasta su construcción, el método más conocido y usado es el método de la
plancha por su facilidad, pero este método no ofrece la calidad y el acabado
deseado, además de que para que un circuito impreso trabaje bien y dure hay que
tener consideraciones muy especificas, las cuales, la mayoría de personas que
realizan sus circuitos impresos sin ser profesionales en esto, no las toman en cuenta.
Además se ve que una empresa dedicada a este tipo de operaciones es viable en la
manera en que; el ingeniero que se dedica a diseñar circuitos, el alumno que
entregara un proyecto importante, o cualquier persona que lo necesite; no tiene o no
quiere dedicar más tiempo en fabricar su circuito después de ya haberlo diseñado, ya
que, por no ser especialista en esto, aparte de que gastara más tiempo, difícilmente
su trabajo terminado tendrá la calidad que el necesite. Lo cual, una empresa
dedicada a este tipo de fabricación si lo hará, en nuestro caso, con el método de
serigrafía, por ser un método con un acabado con estética, sin errores, fácil
producción en serie, y con muy pocos materiales que se traduce en un precio bajo.
A futuro, con la empresa en marcha, se genera un banco gigante de muchas más
investigaciones asociadas con Mecatrónica, como realizar un drill automático,
soldadora automática que permita implementar circuitos SMD, automatización del
proceso de serigrafía para producciones en serie, etc.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Bellver, M. A. (2002). Diseño de circuitos impresos con OrCad Capture y Layout
v.9.2. Valencia, España: Thomson .
Byers, T. (1991). Printed Circuit Board Design with Microcomputers. New York:
McGraw-Hill Book Company.
Páginas Web
http://www.x-robotics.com/motorizacion.html
http://www.mextronics.com/inicio.html?gclid=COfx3_L39q0CFU6Mtgod7RoZsg
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