INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior De Ingeniería Mecánica Y Eléctrica Departamento de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica Laboratorio de Química Aplicada Reporte de Practica N. 5 Elaboración de un circuito impreso
Grupo:2CM10 Fecha de inicio: 11/05/2017 Fecha de entrega:25/05/2017
Contenido Objetivo .............................................................................................................. 3 Marco teórico ...................................................................................................... 3 TIPOS DE PLACA BASE PARA CIRCUITOS IMPRESOS.................. ........... 4 La baquelita ................................................................................................. 4 La fibra de vidrio .......................................................................................... 4 Las poliamidas de vidrio .............................................................................. 5 El keviar ...................................................................................................... 5 Los compuestos de cuarzo ......................................................................... 5 Las alúminas (cerámicas) ........................................................................... 5 El invar-cobre .............................................................................................. 5 FABRICACIÓN DE CIRCUITOS IMPRESOS ................................................. 5 Método de serigrafía ................................................................................... 6 Método fotomecánico .................................................................................. 6 Método artesano ......................................................................................... 6 DESARROLLO ................................................................................................... 8 PROCEDIMIENTO ............................................................................................. 8 CUESTIONARIO : .............................................................................................. 9 MATERIAL ....................................................................................................... 11 Procedimiento .................................................................................................. 12 CUESTIONARIO 2 ........................................................................................... 12 Conclusion........................................................................................................ 12
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Objetivo El alumno aplicara el procedimiento de diseño directo en la elaboración y protección de un circuito impreso
Marco teórico Las dos teorías fundamentales en las que se apoyan todas las ramas de la ingeniería eléctrica son la de circuitos eléctricos y la electromagnética. Muchas ramas de la ingeniería eléctrica, como potencia, máquinas eléctricas, control, electrónica, comunicaciones e instrumentación, se basan en la teor ía de circuitos eléctricos. Por lo tanto, el curso básico de teoría de circuitos eléctricos es el más importante para un estudiante de ingeniería eléctrica, y constituye siempre un excelente punto de partida para quien inicia su educación en ingeniería eléctrica. La teoría de circuitos también es valiosa para estudiantes que se especializan en otras ramas de las ciencias físicas, porque los circuitos son un buen modelo para el estudio de sistemas de energía en general, y también por la matemática aplicada, la física y la topología implicadas. En ingeniería eléctrica, a menudo interesa comunicar o transferir energía de un punto a otro. Hacerlo requiere una interconexión de dispositivos eléctricos. A tal interconexión se le conoce como circuito eléctrico, y a cada componente del circuito como elemento. Los circuitos eléctricos se usan en numerosos sistemas eléctricos para realizar diferentes tareas. Hay dos tipos de elementos en los circuitos eléctricos: elementos pasivos y elementos activos. Un elemento activo es capaz de generar energía, mientras que un elemento pasivo no. Ejemplos de elementos pasivos son los resistores, los capacitores y los inductores. Los elementos activos más comunes incluyen a los generadores, las baterías y los amplificadores operacionales. La conexión eléctrica entre los componentes de un circuito electrónico se realiza mediante hilos y cables de cobre, o mediante circuitos impresos. Los circuitos impresos son láminas de material aislante, más o menos rígidas, sobre las que se disponen unas tiras de cobre -en una o en ambas caras- por las que circulan las señales eléctricas de unos componentes a otros. El hecho de utilizar como elemento preferente de interconexión el circuito impreso no quiere decir que no se utilicen hilos y cables conductores, empleados sobre todo para. la interconexión entre placas de circuitos impresos y entre éstas y otros componentes externos tales como, por ejemplo, interruptores, altavoces, antenas, etc. Básicamente un circuito impreso es una placa de material aislante, a una de cuyas caras se han adherido tiras de cobre desnudo, niqueladas o plateadas.
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que hacen las funciones de conductores. En la otra cara de la placa aislante se sitúan los componentes del circuito (resistencias, condensadores, transistores, circuitos integrados, etc.), los cuales, a través de unas perforaciones existentes en la placa y unos puntos de soldadura, se ponen eléctricamente en contacto con las tiras de cobre de la otra cara, siendo éstas las que sirven de conductores eléctricos entre los distintos componentes, formando de esta manera un circuito de dimensiones reducidas. La denominación de circuito impreso procede del hecho de que en su fabricación se utilizan procesos de imprenta. En la figura se puede ver parte de una placa de circuito impreso. Las pistas de cobre se han dibujado en negro, y cada una de ellas termina en un topo con orificio para introducir y soldar los terminales de los componentes.
TIPOS DE PLACA BASE PARA CIRCUITOS IMPRESOS Para la fabricación de un circuito impreso se parte de una placa de material aislante, la cual debe poseer una serie de cualidades tales como la de ser ligera, resistente y no atacable por ácidos corrosivos. Los materiales de uso más frecuente en la fabricación de placas de circuitos Impresos son los siguientes: • Baquelitas. • Fibra de vidrio. • Poliamidas de vidrio. • Keviar. • Compuestos de cuarzo. • Alúninas (cerámicas). • lnvar -cobre.
La baquelita (laminado de papel y compuestos fenólicos) se utilizaba mucho en
la fabricación de circuitos impresos para equipos de gran consumo (radio, televisión, amplificadores de audio, etc.). La razón de ello era su precio, mucho más barato que el de otros materiales. La fibra de vidrio ha sustituido prácticamente a las placas de baquelita. Se
emplea en la fabricación de circuitos impresos profesionales y en los equipos de gran consumo, debido a que ya no es tanta la diferencia de precio con las de baquelita y a que resulta de fácil mecanizado y poco peso. Como desventaja hay que citar su mala conductividad térmica. Su coeficiente térmico de expansión es del orden de 13 a 1 7 x 1 o-6 /K.
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Las poliamidas de vidrio tienen, aproximadamente, el mismo coeficiente de
expansión térmico que la fibra de vidrio, pero su conductividad térmica es muy superior. Como desventaja cabe citar Su precio, que es unas cuatro veces el de la fibra de vidrio. El keviar tiene la ventaja de ser el material más ligero, no tiene problemas de
dimensiones y su coeficiente térmico de expansión es del orden de 4 a 8 x 1 O~/K. Como desventaja podemos destacar su difícil mecanizado y que es propenso a la absorción de agua. Los compuestos de cuarzo tienen un coeficiente de expansión térmica
comprendido entre 6 y 12 x 1 o-o/K; su conductividad térmica es buena y sus propiedades dieléctricas son excelentes. Como inconveniente diremos que son muy difíciles de mecanizar. Las alúminas (cerámicas) son muy utilizadas en la fabricación de circuitos
híbridos y en aplicaciones militares de alta fiabilidad. Es un material muy frágil, pesado y difícil de mecanizar. Otro inconveniente radica en que el proceso de implantación de pistas es muy laborioso. El invar-cobre posee un coeficiente de dilatación que puede elegirse, ya que
sólo es necesario variar la proporción de cobre e invar. Es un material difícil de fabricar y, por lo tanto, caro. De todo lo expuesto se deduce que, en el campo del gran consumo (radio, televisión. etc.), la fabricación de los circuitos impresos se realiza actualmente utilizando corno soporte la fibra de vidrio, de la cual existen diferentes versiones y calidades, con el fin de poder compararlas y así elegir, entre las diferentes opciones, aquella que más se acomode a las necesidades concretas.
FABRICACIÓN DE CIRCUITOS IMPRESOS A las placas base se les adhiere, en una de sus caras, una lámina de cobre extremadamente puro. Es conveniente que la cara de la lámina de cobre que está en contacto con la placa aislante sea rugosa, con la finalidad de lograr una mejor adherencia. El pegado de la lámina de cobre sobre la placa base suele hacerse mediante prensa y a elevada temperatura, utilizando pegamento de características dieléctricas semejantes a la placa aislante. EJ espesor de la lámina de cobre oscila entre 0,025 y 0,070 mm. Una vez efectuado el pegado de la lámina de cobre sobre la placa aislante, se imprime sobre la primera el cableado del circuito. A continuación, se procede a proteger toda la parte impresa contra la acción del ácido en el que posteriormente se sumergirá la placa. De esta forma el ácido ataca el cobre no protegido (destruyéndolo) y deja en la placa aislante únicamente el cobre perteneciente al circuito. Una vez realizada esta operación se procede a retirar la capa protectora que se había colocado, con lo que el circuito ya impreso puede pasar a su mecanizado.
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El mecanizado consiste en la realización de las perforaciones que deben servir para la introducción de los terminales de los componentes y la tornillería, y su posterior soldadura a las pistas del circuito impreso. Veamos ahora distintos procedimientos de impresión de circuitos Impresos. Método de s eri g rafía
En este procedimiento el entintado de la placa se efectúa mediante una plantilla, en la cual se recorta el circuito a Imprimir. Se superpone luego la plantilla a· la plancha de cobre del futura circuito impreso y se entinta el conjunto, quedando el circuito dibujado sobre la plancha de cobre cuando se retira la plantilla. Según el tipo de tinta empleada, ésta puede ser ya suficiente para proteger al circuito de la acción del ácido.
Método fotomecánico
Básicamente, consiste en realizar en tinta negra el dibujo del circuito impreso, sobre un pape' que no modifique sus dimensiones con la humedad o temperatura (por ejemplo, en poliéster), y a mayor tamaño del definitivo. Actualmente da mejores resultados dibujar el circuito con pistas adhesivas, especialmente diseñadas para este menester, ya que cubren mejor el papel que el trazado con tinta china. Una vez realizado el dibujo, se fotografía para obtener un cliché o negativo, en el que los trazos correspondientes al dibujo (pistas del circuito impreso) son transparentes y el resto completamente opaco. Mediante una copiadora se coloca el cliché sobre cada una de las placas del circuito, que han sido previamente cubiertas con material fotosensible, por ejemplo, un líquido que se torna viscoso, o incluso sólido, al recibir luz ultravioleta. Al proyectar la luz requerida sobre el conjunto formado por el cliché y la placa, en ésta queda endurecido el material fotosensible expuesto a la luz, que corresponde únicamente a las partes transparentes del cliché, es decir, al circuito a imprimir. La plancha queda así preparada para ser atacada con ácido, de forma igual a la descrita en los apartados anteriores. El método fotomecánico es el que ofrece más precisión en las pistas. por lo que es el más utilizado.
Método artesano
Este método se utiliza sólo para la realización de prototipos, ya que resulta caro desde el punto de vista industrial; además de que los resultados no son tan «limpios» como los anteriores. Para fabricar un circuito impreso de forma artesanal, primero se dibuja sobre la lámina de cobre las diferentes pistas del circuito que se desea fabricar, para lo cual se utiliza un rotulador de tinta grasa especial, o bien pistas y círculos de transferencia por presión. Una vez dibujado el círculto sobre la placa de cobre, se introduce en un baño de ácido, el cual elimina todas aquellas partes no protegidas por la tinta. La sustancia más utilizada es el percloruro férrico (C13Fe). Para un buen ataque al cobre es conveniente que se trabaje con temperaturas comprendidas entre 25 y 30 °C. Advertimos que este caso conlleva los riesgos propios del trabajo con ácidos, por lo que se debe operar con la máxima atención y cuidado, con el fin de evitar accidentes que, en ocasiones, pueden ser muy peligrosos, como ocurre, por
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ejemplo, con las salpicaduras de ácido sobre los ojos. Una vez atacada la placa, se extrae ésta de la cubeta con unas pinzas de plástico (sin tocar con los dedos el ácido) y se introduce en otra cubeta con agua. en donde se agita y limpia a fondo, de forma que no quede el menor rastro de ácido. Finalmente, con un disolvente para grasas se quitan las protecciones de las pistas, se pulen ligeramente y se pasa a su mecanizado mediante mini taladradoras. Destacamos que las pistas de circuitos impresos son fácilmente oxidables, por lo que es conveniente que una vez realizados se protejan con un barniz protector, dejando sólo sin cubrir los puntos donde deban efectuarse las soldaduras.
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DESARROLLO MATERIALES
REACTIVOS
1 Placa de Baquelita con capa de cobre 1 Hoja con el diagrama de un circuito impreso 1 Plumón de tinta antiácida
Solución de FeCl 3 4M Solución de HN0 3 (1:1) Acetona
1 Vaso de precipitados de 1 Litro 1 anillo,mechero, y tela de alambre c/ asbesto 1 Punzón Recipiente de plástico 1 Par de guantes de plástico 1 Agitador 1 Servitoalla 1 Multímetro 1 Martillo Algodón Pinzas largas
PROCEDIMIENTO 1. Tomar la placa de baquelita, limpiarla usando un algodón con solución de HNO3 hasta que el cobre quede brillante. Tener cuidado de no tocar la superficie de la placa con los dedos después de limpiarla. 2. Colocar la hoja del diagrama sobre la placa de baquelita, asegurándose de que no se mueva. 3.Marcar con un punzón sin traspasar la placa de baquelita, asegurándose de que no se mueva. 4. Trazar las pistas con el plumón antiácido siguiendo el diagrama del circuito impreso considerado. 5. Calentar la solución de FeCl3 a 60oC en un vaso de precipitados. 6. Para eliminar el cobre excedente de la placa, colocarse los guantes e introducirla en el recipiente de plástico que contiene suficiente solución de FeCl3
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para cubrir totalmente la placa. Agitar suavemente el recipiente para que el proceso se efectúe eficientemente hasta eliminar el cobre no deseado. Observar continuamente para verificar que no se elimine el cobre de las pistas. 7. Una vez que la placa este lista, retirarla del recipiente con las pinzas y enjuagarla con agua. 8.Con el algodón y la acetona, limpiar el marcador antiácido de las pistas de cobre. 9. Con un multímetro comprobar la continuidad de las pistas.
CUESTIONARIO : 1.¿Para qué sirve un circuito impreso? Un circuito impreso sirve para montar dispositivos electrónicos que permitan la fácil conexión eléctrica entre sus terminales para una función específica que se requiera en el área electrónica. 2.¿De qué otros materiales pueden ser las placas del circuito impreso ? . • Baquelitas. • Fibra de vidrio. • Poliamidas de vidrio. • Keviar. • Compuestos de cuarzo. • Alúninas (cerámicas). • lnvar -cobre.
La baquelita (laminado de papel y compuestos fenólicos) se utilizaba mucho en la fabricación de circuitos impresos para equipos de gran consumo (radio, televisión, amplificadores de audio, etc.). La razón de ello era su precio, mucho más barato que el de otros materiales. La fibra de vidrio ha sustituido prácticamente a las placas de baquelita. Se emplea en la fabricación de circuitos impresos profesionales y en los equipos de gran consumo, debido a que ya no es tanta la diferencia de precio con las de baquelita y a que resulta de fácil mecanizado y poco peso. Como desventaja hay que citar su mala conductividad térmica. Su coeficiente térmico de expansión es del orden de 13 a 1 7 x 1 o-6 /K. Las poliamidas de vidrio tienen, aproximadamente, el mismo coeficiente de expansión térmico que la fibra de vidrio, pero su conductividad térmica
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es muy superior. Como desventaja cabe citar Su precio, que es unas cuatro veces el de la fibra de vidrio. El keviar tiene la ventaja de ser el material más ligero, no tiene problemas de dimensiones y su coeficiente térmico de expansión es del orden de 4 a 8 x 1 O~/K. Como desventaja podemos destacar su difícil mecanizado y que es propenso a la absorción de agua. Los compuestos de cuarzo tienen un coeficiente de expansión térmica comprendido entre 6 y 12 x 1 o-o/K; su conductividad térmica es buena y sus propiedades dieléctricas son excelentes. Como inconveniente diremos que son muy difíciles de mecanizar. Las alúminas (cerámicas) son muy utilizadas en la fabricación de circuitos híbridos y en aplicaciones militares de alta fiabilidad. Es un material muy frágil, pesado y difícil de mecanizar. Otro inconveniente radica en que el proceso de implantación de pistas es muy laborioso. El invar-cobre posee un coeficiente de dilatación que puede elegirse, ya que sólo es necesario variar la proporción de cobre e invar. Es un material difícil de fabricar y, por lo tanto, caro. 3.¿Qué es un polímero? Los polímeros son macromoléculas formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. El almidón , la celulosa , la seda y el ADN son ejemplos de polímeros naturales, entre los más comunes de estos y entre los polímeros sintéticos encontramos el nailon , el polietileno y la baquelita . 4.¿Qué es una solución? Una solución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias. La sustancia disuelta se denomina soluto y la sustancia donde se disuelve se denomina disolvente. 5.¿Qué es un ácido según Lewis? El químico estadounidense dió una definición muy incompleta acerca del comportamiento de los ácidos ,la cual se puede definir como una sustancia que puede aceptar un par de electrones . 6.¿Qué es una fibra de vidrio? La fibra de vidrio es una malla de vidrio, que al combinarse con la resina forman armazones y piezas de gran resistencia, consta de numerosos filamentos poliméricos basados en dióxido de silicio (SiO2) extremadamente finos. 7.¿Qué es un cerámico?
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Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes . 8.Mencione las ventajas de un circuito impreso . -No hay errores de cableado. -Facilidad en proceso de montado de dispositivos electrónicos. -Poco espacio requerido por medio de finos caminos conductores de electricidad. -Reemplaza el uso de protoboard para una conexión eléctrica. 9.¿Por qué el FeCl3 se comporta como un ácido? Este compuesto es hidrolizado, por lo que realiza una liberación de calor al producirse una reacción de tipo exotérmica. Esto da lugar a una solución de carácter corrosivo y ácida, de una tonalidad marrón que suele venir usada como coagulante cuando se tratan aguas de tipo residual con fines de potabilización. 10.¿Que observa y concluye sobre la práctica? Para realizar un circuito impreso se necesita de buenos materiales para crear el circuito y tener a la mano todas las herramientas necesarias para perforar y dibujar las líneas conductoras. En tanto a la solución de FeCl3, se tuvo complicaciones al momento de eliminar las partes cubiertas de cobre ya que fue un proceso tardado .
NOTA: Como trabajo extra clase presentar la placa perforada para trabajar la segunda parte.
MATERIAL Placa trabajada en la primera parte Cautín
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Soldadura Fundente(pasta). Componentes electrónicos del circuito. Multímetro
PROCEDIMIENTO 1.Soldar con precaución los componentes electrónicos en la placa de baquelita con ayuda del cautín , soldadura y fundente. 2. Verificar el buen funcionamiento del circuito.
CUESTIONARIO 2 1. ¿Para qué se recubre un circuito impreso? El recubrimiento sirve para prevenir la corrosión y las corrientes de fuga o cortocircuitos producto de la condensación . 2. ¿Cuáles son los parámetros a considerar para seleccionar un buen recubrimiento ? Ya que los circuitos impresos se utilizan en ambientes extremos , el recubrimiento se puede aplicar sumergiendo la tarjeta o a través de un aerosol después de que los componentes han sido soldados. También algunos plásticos que se recubren sobre la tarjeta pueden ser aplicados en una cámara al vacío . 3. ¿Con qué materiales se logra un recubrimiento eficiente? Algunos recubrimientos modernos con buena eficiencia son a base de soluciones de goma silicosa, poliuretano , acrílico o resina epóxica
CONCLUSIÓN Se puede concluir comenzando con la importancia que tiene la elaboración de un circuito eléctrico puesto que es pilar principal de toda la ingeniería en comunicación y electrónica y en si de toda la ESIME, también cabe resaltar la importancia de conocer métodos de impresión de circuitos eléctricos por uno de los métodos mas rentables para la industria y que es un método demasiado preciso, de la misma importancia es conocer los compuestos que se utilizan en la impresión de un circuito porque ello nos encamina al mejoramiento de las técnicas para la impresión de circuitos eléctricos
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