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Realización práctica de un circuito impreso

Introducción:

Hace unas décadas, los circuitos se montaban en forma de "tela de araña". De esta forma se montaron los primeros receptores de radio a válvulas, en los que algunos componentes (el altavoz, el transformador, las válvulas, el condensador variable, los potenciómetros) iban montados en la carcasa metálica y el resto (condensadores, resistencias, diodos) iban "colgados" por sus terminales.

En la actualidad los circuitos se montan utilizando un soporte más versátil como es la placa de circuito impreso, que es la base que sujetará los componentes y a la vez los interconectará mediante una serie de pistas de cobre, como ya veremos.

Vamos a ver dos de los métodos clásicos para realizar una placa de circuito impreso. Después veremos cómo mecanizar la placa y montar en ella los componentes del circuito.

Se trata de una serie de pasos sencillos, que pronto aprenderemos, así que continua leyendo para empezar...

1 - La placa de Circuito Impreso (C.I.)

La placa de un circuito impreso es la base para el montaje del mismo, es el soporte que sujetará los componentes y a la vez los interconectará mediante una serie de pistas de cobre.

Una placa de circuito impreso está formada por un soporte, que puede ser de baquelita o de fibra de vidrio y una capa de cobre depositada sobre el soporte, tal como se observa aquí:

También vemos sobre la capa de cobre un recubrimiento que puede ser una capa de barniz fotosensible (placas sensibilizadas o fotosensibles) o bien la tinta indeleble (especial para circuitos impresos) que utilizaremos para dibujar las pistas, tal como veremos más adelante.

Mediante el proceso de atacado de la placa, que veremos en detalle más adelante, transformaremos la capa uniforme de cobre en una serie de pistas de cobre que interconectarán los diferentes componentes entre sí, formando el circuito real.

Después de ese proceso, perforamos la placa para poder introducir los terminales de los componentes y soldarlos a las pistas de cobre, de tal forma que el resultado sea similar a éste:

Ovservamos cómo el cobre está cortado en algunas zonas, lo que permite conectar entre sí sólo los componentes que nos interesen. En otras zonas vemos que el cobre sirve de unión eléctrica entre dos componentes, como es el caso del dibujo. Los terminales de los componentes están unidos al cobre mediante soldaduras hechas con estaño.

Vemos aquí una placa de fibra de vidrio, con unas cuantas resistencias, algunos condensadores y dos transistores ya colocados. En todos ellos observamos cómo sus terminales están introducidos por las perforaciones que se han practicado a la placa.

Si le damos la vuenta a la placa vemos los terminales de los componentes asomando, ya cortados y a punto de ser soldados. En la foto se observan claramente las pistas de cobre que unen los diversos componentes, así como las zonas donde el cobre se ha eliminado.

Esta instantánea se ha tomado en el momento de hacer una soldadura. Observamos la punta del soldador y el hilo de estaño. Este proceso ya lo hemos explicado en Soldadura.

Sólo queda comentar que existen en el mercado varios tipos de placas, atendiendo a características como el material empleado en el soporte, el número de caras de cobre y si están sensibilizadas (tienen un recubrimiento de barniz fotosensible):

Están colocadas por tipos (y por orden de precio).

Aquí vemos un ejemplo de placa fotosensible. Las de este tipo tienen una capa uniforme de barniz fotosensible sobre el cobre. Al igual que el papel fotográfico, las placas fotosensibles no deben velarse durante su almacenamiento y sólo deben exponerse a la luz durante el proceso de insolado. Para evitar que las dé la luz llevan un plástico opaco pegado, que deberemos retirar en un ambiente de luz muy tenue antes de meterlas a la insoladora, proceso que veremos enseguida.

Las que son de doble cara simplemente tienen una capa de cobre a ambos lados del soporte y permiten hacer circuitos más complicados con el mismo tamaño de placa ya que permiten crear pistas conductoras por ambos lados.

En el mercado podemos obtener estas placas en diversos tamaños estándar, aunque nosotros normalmente usamos en el laboratorio las de tamaño de 20x30 cm., ya que nos salen bastante rentables. Después cortamos las placas al tamaño deseado, tratando de aprovechar el espacio lo más posible.

2 - El diseño de pistas de un circuito

El esquema electrónico

Ahora que hemos visto cómo es la placa, vamos a transferir nuestro circuito a ella para poder hacer físicamente el circuito impreso y poder después montar los componentes sobre él.

Partiremos del esquema eléctrico de nuestro circuito, que podría ser ser algo parecido a esto:

El diseño de pistas

El diseño de pistas es un dibujo que representa las conexiones a realizar entre los distintos componentes del circuito. Puede obtenerse de diversas formas:

El diseño de pistas tendrá una forma parecida a ésta (foto de la izquierda):

La foto de la derecha muestra la placa una vez terminada y colocados los componentes, vista por el lado de las soldaduras. Como vemos, el resultado es muy semejante al diseño.

3 - Traspaso del diseño de pistas a la placa de circuito impreso

Una vez que tengamos el diseño, existen varios métodos para transferirlo a la placa de circuito impreso, como pueden ser:

Aquí vamos a ver dos de los más usados, que son:

Transferencia por el método clásico de rotulación

Éste es uno de los métodos más "artesanos" para hacer una placa de circuito impreso. Es el más indicado cuando queremos hacer una sola placa y el diseño es sencillo.

El diseño de pistas siempre lo hacemos con la placa vista desde del lado de los componentes. Sin embargo lo que vamos a hacer es dibujar las pistas con un rotulador sobre la capa de cobre de la placa, esto es, sobre el lado de las pistas y de las soldaduras. Esto significa que debemos copiar el diseño, lo más fielmente posible sobre la placa, y DADO VUELTA, de forma que el dibujo rotulado sea simétrico al que tenemos en el papel.

Vamos por pasos:

1. Tenemos el diseño de pistas del circuito, que podemos sacar de una revista o bien hacer a mano, si se trata de algo sencillo. En la foto tenemos un diseño visto desde el lado de los componentes (la cara de arriba).

2. Como el cobre está por el lado de las pistas (cara de abajo), lo primero que debemos hacer para transferir el diseño a la placa es dar vuenta el papel y marcar las posiciones donde deben ir las perforaciones de la placa (donde se insertarán las patitas de los componentes). Podemos marcarlos con un bolígrafo de tinta líquida o un rotulador normal:

3. Luego colocamos la placa con el cobre hacia nosotros y colocamos el papel tal como se ve aquí. Centraremos la placa de forma que el diseño esté alineado con la placa y luego sujetaremos la placa al papel con cinta adhesiva para evitar que se mueva.

4. Ahora tenemos que transferir las posiciones de las perforaciones a la placa. Esto se puede hacer como vemos en la foto (pinchando con un punzón o la punta de una tijera) para marcar las perforaciones o bien se puede hacer con un papel carbónico, de forma que queden marcados dichos puntos en la placa. La ventaja del punzón o las tijeras es que dejamos hecho un pequeño hoyo en cada punto, lo que luego facilitará que las finas brocas (1mm. de diámetro) se centren ellas solas en cada lugar. Estas marcas debemos hacerlas con un poco de suavidad, ya que no se trata de taladrar la placa con las tijeras ni con el punzón, así que habrá que tener cuidado con la fuerza que empleamos. Si usamos un punzón, lo golpearemos con unos alicates u otra herramienta similar, no con un martillo.

5. La placa debe estar bien limpia, cosa que conseguiremos frotándola con una goma de borrar bolígrafo o bien usando lana de acero ("virulana"), de tal forma que la superficie de cobre quede limpia y brillante.
Una vez marcadas las perforaciones, nos servirán de referencia para dibujar las pistas. Como ya hemos comentado, hay que transferir el diseño haciendo el espejo, tal como vemos en estas fotos. Esto debemos hacerlo con un rotulador de tinta indeleble (resistente al agua). Nosotros utilizamos el típico rotulador EDDING o STAEDTLER permanent. Debe tener punta fina o al menos lo suficientemente fina como para permitirnos dibujar las pistas correctamente sin que se junten unas con otras. Para conseguir un resultado superior (se pueden relizar sin problemas pistas finas, inclusive pasar una pista entre dos patitas de un circuito integrado) es aconsejable el uso de tinta indeleble fabricada especialmente para realizar circuitos impresos.

6. Finalmente debemos cortar la placa a la medida necesaria. Para cortar podemos usar una sierra de pelo (de marquetería, como se ve en la foto) o bien una sierra de arco, de las de cortar hierro. Esto podría haberse hecho antes del punto 4, aunque también puede hacerse al final, si nos resulta más cómodo.

Aquí vemos cómo queda la placa, una vez rotulada. Ahora ya podríamos pasar al ataque con ácido, perforación y montaje, pasos que describiremos más adelante.

Transferencia mediante fotolito, con placa fotosensible - Parte 1, la insolación

Éste es un método un poco más laborioso y necesitaremos algo más de material. Es el indicado para placas complicadas, con pistas finas, con pistas por las dos caras, o cuando necesitamos hacer varias placas iguales. Tiene la ventaja de que si se hace bien el proceso, la placa queda "exactamente" igual que el original, con lo que obtendremos resultados de muy buena calidad.

Adicionalmente, podemos colocar en la transparencia cualquier texto, firma o logotipo a nuestro gusto, como en la placa que vemos más abajo.

Lo vemos por pasos:

1. Partiremos del diseño de pistas (fotolito) en una transparencia o en papel vegetal. En la foto vemos el diseño de un circuito digital que tiene numerosas pistas. Observamos también un logotipo, que luego quedará grabado sobre el cobre.
NOTA IMPORTANTE: Si vamos a usar una transparencia que tenga las pistas marcadas en negro y el resto transparente (foto de la izquierda), deberemos usar una placa fotosensibilizada POSITIVA. En caso contrario (foto de la derecha) deberemos usar una placa fotosensibilizada NEGATIVA. La placa negativa no suele usarse casi, ya que se emplea mucha tinta para obtener el fotolito.

   

2. Preparamos la insoladora. Nosotros tenemos una insoladora formada por 4 tubos fluorescentes de luz actínica (ultra-violeta) de 20w. Está montada de tal forma que sólo permite insolar una cara de la placa, de forma que si queremos hacer una placa de doble cara deberemos insolar primero una cara y luego dar la vuelta a la placa para insolar la otra. Conviene que la insoladora disponga de un temporizador de hasta 5 minutos, para poder controlar bien los tiempos de exposición, aunque con un reloj también se puede hacer.

También podemos usar tubos de luz blanca, como los de iluminación, incluso podemos improvisar una insoladora artesanal con una mesa, una lámpara potente y un cristal.

3. Tomamos la placa fotosensible. Como ya hemos dicho, tienen una capa uniforme de barniz fotosensible sobre la capa de cobre y vienen protegidas por un plástico opaco adherido. Deberemos despegar el plástico opaco protector en un ambiente de luz muy tenue.

4. Continuando con luz tenue Colocamos el fotolito sobre el cristal de la insoladora y luego la placa encima, de forma que el lado del cobre esté en contacto con la tinta del fotolito.
Si se trata de una placa de doble cara, primero sujetaremos los dos fotolitos entre sí con cinta adhesiva teniendo especial cuidado para que las posiciones de las perforaciones en ambas caras coincidan. Después introducimos la placa entre los dos fotolitos, como vemos en la foto.

5. Ahora sujetamos la placa al fotolito con cinta adhesiva. Suele ser bastante práctivo hacer unos recortes al fotolito en unas zonas que no haya pistas, como se ve en las fotos, para poder pegar la cinta adhesiva. Colocamos el conjunto en la insoladora, en el centro, tal como se veía en la foto del paso 2 y bajamos la tapa de la insoladora.

   

6. Seleccionamos el tiempo de exposición y encendemos la insoladora. El tiempo idóneo depende del tipo de fotolito que usemos y del tipo de luz de la insoladora y lo podremos determinar después de unas pocas pruebas.
En nuestro caso, usando papel vegetal impreso con inyección de tinta como fotolito y 4 tubos de luz actínica, los tiempos suelen andar sobre los 3 minutos de exposición.
Si usamos una transparencia en papel de acetato con tóner de fotocopiadora, hay que dar un tiempo de exposición menor, ya que este papel es totalmente transparente y deja pasar más luz en las zonas que no hay tinta.
De la misma forma, si usamos un flexo o la luz del sol, debremos hacer algunas pruebas con trozos pequeños de placa y nuestro fotolito para determinar el tiempo idóneo de exposición.

Como nota curiosa, decir que usando el sol de pleno enero (en San Juan - Argentina, residencia del sol) y un fotolito de papel vegetal y haciendo que los rayos del sol incidieran de forma perpendicular en la placa, fue necesario un tiempo de exposición de sólo 60 segundos. El proceso fue simple: sujetar bien el conjunto placa-fotolito-cristal, meterlo en una caja cerrada, sacarlo de la caja rápidamente y sujetarlo frente al sol, esperar el tiempo de insolación (60 seg.) y meterlo rápidamente de nuevo en la caja.

Con estos pasos ya tenemos la placa insolada. Ahora, mientras preparamos los siguientes pasos conviene dejar la placa en una caja cerrada, de forma que podamos encender alguna luz más sin velar la placa.

Colocación idónea del fotolito

En el dibujo siguiente vemos la colocación del fotolito sobre la placa de cobre fotosensible. Ya se ha retirado el plástico opaco protector.
Vemos en este caso que la tinta de la impresora o fotocopiadora está en la parte superior del fotolito, cosa que en la mayoría de los casos representará un problema, debido a las sombras producidas.

Por lo general la luz de la insoladora no incidirá sobre la placa en una sola dirección (a no ser que usemos la luz del sol), sino que provendrá de varias direcciones, ya que los tubos fluorescentes tienen una cierta superficie luminosa. Además, si tenemos colocado un espejo debajo de los tubos en la insoladora, la luz provendrá aún de más direcciones.

Esta luz difusa y el grososr del papel provocan que la radiación luminosa llegue al barniz fotosensible como se muestra en el dibujo. Como vemos, el área donde incide la luz (azul claro) es algo diferente al área especificada en el fotolito, lo que puede llegar a provocar que algunas pistas finas se hagan más finas aún o incluso lleguen a desaparecer.

La solución a esto consiste en imprimir el fotolito de tal forma que la tinta quede siempre en contacto con el barniz fotosensible. En caso de que sea necesario, esto se puede conseguir imprimiendo el "espejo" del diseño de pistas. El software de diseño de circuitos impresos casi siempre ofrece esta posibilidad.

Como vemos ahora, las zonas donde incide la luz (azul claro) son prácticamente similares a las originales, lo que producirá una placa de gran fidelidad.

Asímismo deberemos cuidar que el fotolito quede totalmente en contacto con la placa y que no tenga arrugas, ya que cualquier separación entre la tinta y el barniz fotosensible provocará que las pistas disminuyan su grososr y además queden mal definidas (borrosas).

Transferencia mediante fotolito, con placa fotosensible - Parte 2, el revelado

Tenemos la placa insolada y guardada en un lugar totalmente oscuro.

Vamos a preparar el proceso del revelado, que consiste básicamente en eliminar parte del barniz protector fotosensible que tiene la placa. De esta forma, donde deba haber pistas el barniz quedará intacto, mientras que desaparecerá el barniz del resto de la placa, permitiendo que en los pasos posteriores el ácido elimine el cobre.

El resultado después del revelado es similar al obtenido después de dibujar las pistas con rotulador sobre la placa, como hemos visto anteriormente.

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