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Atacado del cobre Unidad 4. Fabricación del Board

En este documento se hará la definición de los procesos más representativos para el ataque del cobre que sobra del circuito que se elabora, los insumos a utilizar, las maquinas y herramientas utilizadas a nivel industrial

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¿QUÉ ENCONTRAREMOS EN ESTE DOCUMENTO?

a. Ruteado con Máquinas CNC .......................................................................................... 3

Generación de archivos Gerber para ruteado en máquinas CNC ........................................ 8

Fresas y herramientas utilizadas en CNC ........................................................................... 10

b. Proceso químico para el ataque del cobre ................................................................... 12

Precauciones para el trabajo con ácidos ............................................................................. 13

Enlaces de interés ................................................................................................................ 14

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Conceptos generales Introducción Los circuitos en su proceso de diseño y desarrollo llegan a la etapa de donde se hace necesario quitar el cobre que no se necesita en las placas de cobre donde se adhiere el circuito que se está fabricando mediante métodos convencionales o industriales. Los métodos son los siguientes

a. Ruteado con Máquinas CNC

El primer desarrollo en el área del CNC lo realizó el inventor, norteamericano John T. Parsons junto con su empleado Frank L. Stulen, en la década de 1940; la primera máquina de fresar se construyó en 1818 y fue diseñada por el estadounidense Eli Whitney, con el fin de agilizar la construcción de fusiles en el estado de Connecticut, y desde ahí en adelante todos los esfuerzos se han encaminado a incrementar la productividad, precisión, rapidez y flexibilidad de las máquinas y herramienta. Su uso ha permitido la mecanización de piezas muy complejas, especialmente en la industria aeronáutica, que difícilmente se hubieran podido fabricar de forma manual. De igual manera se han empleado sistemas controlados por computadora para el diseño de piezas dentales en cerámica como lo es el CEREC de la marca Sirona de Alemania. En el desarrollo de este tipo de herramientas se emplean diferentes sistemas robóticos, como el

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implementado en el laboratorio de manufactura del Instituto Tecnológico de Puebla. También los sistemas CNC han incursionado en el campo de la elaboración de circuitos impresos, haciendo cada vez maquinas más eficiente y con protocolos más estandarizados. Actualmente el mercado de aplicaciones y productos de base tecnológica, que ofrecen soluciones económicas y eficientes a las necesidades tanto en la industria como en el hogar, poseen un alto porcentaje de aceptación y se están convirtiendo en una alternativa a la hora de implementar sistemas de automatización, control de procesos, domótica, etc. Para la producción industrial de PCB’s, usualmente se utiliza maquinaria especializada tanto en el proceso químico como en el ensamble de componentes y pruebas de la tarjeta.

Figura 1. Máquina CNC para producción de PCB’s

Este proceso inicia a partir de un prototipo el cual normalmente lo realizan las máquinas de control numérico computarizado (CNC), las cuales mediante el ruteado graban las pistas en la tarjeta. En este proceso, la máquina utiliza las coordenadas previamente descargadas en memoria y dibuja las pistas utilizando una fresa rotando a altas revoluciones.

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Figura 2. Proceso de ruteado

Sin embargo, las tarjetas producidas mediante ruteado son utilizadas principalmente para propósitos de prueba o prototipos, la producción en cantidad y en serie se realiza mediante procesos químicos, dejando la labor de ensamble a las maquinas de control numérico. Las maquinas CNC son elementos robustos que hoy en día han evolucionado muy rápidamente, gracias a los cambios modernos en la electrónica, la mecánica, la mecatronica.

Figura 3. CNC para ruteado del cobre en placas de cobre

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De manera general los sistemas CNC tienen los siguientes componentes: Software: Incluye el diseño del PCB, la generación y lectura de archivos descriptivos, interfaz de usuario, visualización y comunicación de las coordenadas y demás datos necesarios al controlador mediante el dispositivo de comunicación utilizado.

Figura 4. Interfaz de archivo gerber

Diseño del PCB y generación de archivos Gerber: El diseño de un circuito impreso a menudo requiere de programas de diseño electrónico automatizado EDA (Electronic Design Automation), para distribuir e interconectar los componentes. Estos programas convierten el esquemático en una lista de los pines y nodos (netlist) del circuito, a los que se conectan los pines de los componentes. La lista de nodos será cargada posteriormente en un programa de ruteo generando el esquema del PCB, y por último se crea un conjunto de datos e instrucciones descriptivas almacenadas en un archivo en formato HPGL (Hewlett and Packard Graphics Language) o Gerber. Empleando este esquema es posible minimizar el desgaste de la herramienta de corte al realizar el fresado, ya que no será necesario retirar todo el metal hasta obtener las líneas conductoras, sino únicamente los contornos de dichas líneas. Adicionalmente es posible generar un archivo en formato Gerber RS-274X, que contiene las coordenadas tanto de los contornos como de las perforaciones (pads).

Interfaz de usuario y lectura de archivos Gerber: Se desarrolla mediante aplicaciones, en entornos y programas que permiten abrir los archivos Gerber, realizar la lectura de las instrucciones, e interpretar cada una de las características del PCB descritas, entre ellas el tipo de interpolación, el formato de las coordenadas, la unidad de medida (mm o

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pulgadas); y el tipo de movimiento, es decir desplazar sin trazar, desplazar trazando y marcar un punto (perforar). Con esta información el programa realiza un esquema preliminar del PCB en pantalla, es necesario cargar dos archivos uno para el trazado de las líneas del circuito y el otro para la perforación de los agujeros en los cuales se ubican los dispositivos. El proceso de fresado se inicia con un comando dentro de la aplicación, este genera la condición de cero, es decir ubica la fresa en la coordenada (0, 0, 0). Una vez se ha ubicado en este punto se enciende el motor AC encargado del fresado. A continuación el programa envía las coordenadas de cada uno de los ejes al circuito de control y verifica la ejecución de los movimientos, empleando el puerto de comunicación.

Hardware: Constituida por los dispositivos electrónicos, se encarga de recibir los datos del computador, y generar las señales de control tanto para cada uno de los ejes de posicionamiento, como para el motor de fresado.

Figura 5. Hardware utilizado para ruteado de cobre

El Controlador: El controlador está inmerso en un microcontrolador, o un PLC, o un sistema MMI, encargado de recibir las coordenadas para cada uno de los ejes provenientes del software del computador mediante el puerto de comunicación, para luego enviarlas y generar las respectivas secuencias para el movimiento de motores y toman los datos de los sensores de movimiento de los ejes.

Los sistemas tienen motores para el movimiento de las herramientas de corte en los diferentes ejes, también están provistos de sensores con muchas funciones como para dar el punto cero de inicio, regularmente tipo par óptico en herradura como se pueden,

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obteniendo un pulso en el momento que se bloquea el paso de la luz en medio de la herradura; sensores de movimiento de los ejes son sensores en cuadratura.

Dispositivos mecánicos: Corresponde a la estructura mecánica, la cual consta de tres ejes de posicionamiento, con sus correspondientes actuadores y sensores; además de motores para el fresado.

La estructura mecánica está formada por eslabones, ortogonales y rotacionales. Los ejes rotacionales son simplemente motores que entrega el movimiento para el corte de las fresas. Algunos tienen arquitectura seriales para los ejes Y, Z y en su totalidad es decir sus ejes, actuadores y uniones; y estos a su vez soportan los ejes rotacionales. El eje X tiene un movimiento independiente de los anteriores, ofreciendo mayor estabilidad y minimizando la carga de los motores. Los tornillos de los pares helicoidales tienen pasos determinados, y los motores un avance rotacionales definidos. La herramienta de corte, es una fresa de carburo de tungsteno. Deben presentar un óptimo desempeño en la abrasión y perforación sobre el cobre. La ubicación de los eslabones corresponde a la arquitectura de un robot cartesiano.

Generación de archivos Gerber para ruteado en máquinas CNC

1. Archivos Gerber Actualmente existen en el mercado una gran cantidad de programas que permiten el diseño de PCBs asistido por computadora, gracias a ello cada cliente puede seleccionar el que mejor se adecue a sus necesidades. Los archivos “gerber” son archivos ASCII generados por cualquiera de estos programas, con información de coordenadas y tipos de líneas que permite a un plotter recrear la imagen del layout, capa por capa. Es un formato universalmente adoptado por todas las grandes empresas del área debido a que éstos contienen toda la información necesaria y libre de ambigüedades para fabricar un PCB. Es además la única forma de recibir información clara y precisa desde nuestros clientes sin importar el software que estos utilicen para el diseño.

2. Generación de Archivos Gerber 2.1 Ajustes Antes de generar los archivos Gerber será necesario adecuar el layout para la manufactura de su circuito impreso. Los siguientes puntos deben ser cumplidos:

• No debe haber texto o figuras fuera del perímetro de la tarjeta. • Se deben agregar 5 pads de 60 mils de diámetro externo y agujero de 35 mils de

diámetro, con presencia en todos los layers (los pads de referencia deben ser del tipo flash). Estos pads son utilizados por el equipo de CN para el corte de la tarjeta, lo cual permite manufacturar PCBs con dimensiones precisas sin asistencia humana. Los pads deberán tener las siguientes ubicaciones:

• Primeros 4 Pads a 45 mils por sobre (bajo) y a la izquierda (derecha) de cada

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esquina (uno por cada esquina) • El quinto pad a la misma altura del pad inferior derecho, pero 200 mils hacia la

izquierda de éste. Este pad es una referencia que permite identificar la orientación de los diferentes layers de la tarjeta.

La siguiente figura aclarará cualquier duda:

Figura6. Detalle ubicación de pad

Nota: Si su PCB tiene un borde más complejo entonces ubique los 5 pads en torno al rectángulo imaginario que contendría al PCB en su totalidad. Vea el siguiente ejemplo de borde de placa:

Figura7. Bordes de pad

• Evite el borde de su PCB en todos los archivos gerber. Genere separadamente un

archivo gerber que contenga nada más que el borde de su circuito impreso y los 5

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pads de referencia en las esquinas antes mencionados.

• Utilice la opción “flashed pads”, la cual hará que los pads sean traducidos a un punto de la forma y tamaño adecuadas, en lugar de una figura rellenada con varios trazos. Esto permite hacer archivos más compactos y fáciles de tratar.

2.2 Generación Una vez que haya realizado todos los ajustes anteriores en los archivos y tenga la certeza que su diseño contempla la compatibilidad con las restricciones expuestas en la tabla 1 y los puntos que le siguen, genere los siguientes archivos:

o Serigrafía (Top Silk): XXXXX.tss o Máscara antisoldante superior (Top Solder Mask): XXXXX.tsm o Pistas de cara superior (Top Copper): XXXXX.top o Pistas de cara inferior (Bottom Copper): XXXXX.bot (este archivo debe ser

generado con apariencia reflejada) o Máscara antisoldante inferior (Bottom Solder Mask): XXXXX.bsm (este

archivo debe ser generado con apariencia reflejada) o Borde de PCB (Board outline): XXXXX.bor o Soldadura en pasta (Top solder paste): XXXXX.tsp

Fresas y herramientas utilizadas en CNC

Existe un grupo de herramientas de acuerdo a las diferentes aplicaciones entre las cuales tenemos

1. Fresas chaflanadoras 2. Fresas de corte 3. Grabador de bisel a 45º

NOMBRE ESPECIFICACION

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Herramienta de grabado en tarjeta isolada 1/8” L36

Líneas normales entre 0.25 – 0.50

Herramienta de grabado en tarjeta isolada 1/8” L36

Líneas finas entre 0.1 -0.15

Herramienta de acabado final

Líneas de 0.40

Tabla1. Brocas utilizadas en maquinas CNC para el ruteado de cobre

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b. Proceso químico para el ataque del cobre

Figura8. Componentes generales del atacado de cobre por medios químicos

Acción del cloruro férrico en el cobre

Después de tener la placa de cobre con el arte del circuito se debe atacar el cobre que ha quedado expuesto para que solo queden las pistas. El producto que utilizaremos para ello es Cloruro Férrico (FeCl3) el cual se vende comercialmente en distribuidoras de químicos o simplemente en tiendas de electrónica. Este se disuelve en agua fría o caliente, cuanto más caliente más rápido y efectivo será el proceso. Lo pasamos a una cubeta y echamos la placa directamente dentro de ella, de manera que quede cubierta totalmente y con las pistas hacia arriba, para ver el progreso de la reacción química. Es aconsejable mover la cubeta suavemente y sin parar de hacerlo, para que el movimiento del líquido permite que al reacción se dé con mucha rapidez y se arrastre bien el material de manera uniforme en toda la superficie. También se aconseja no dejar la placa mucho tiempo expuesta al aire entre el revelado y el atacado. Se oxidaría la superficie, dejando resultados irregulares, así que conviene dejarlo todo preparado desde el principio del proceso. Seguimos moviendo la cubeta y hasta que tendremos un PCB de aspecto profesional en unos pocos minutillos. En las tiendas de electrónica venden unas cubetas especiales para el baño de atacado, que vienen con un calefactor dentro y una bomba de aire para mover el líquido. Una vez eliminado el cobre, sacamos la placa y la lavamos bien con agua bajo el grifo y comprobamos que todas las pistas estén enteras y que no haya cortocircuitos entre ellas. El cloruro férrico o cloruro de hierro III presenta una reacción con el agua donde inicialmente es combinado. En esta reacción se produce calor y los iones de hierro y de cloruro quedan libres en solución, cuando la placa de cobre se hecha en la solución el cobre es atacado por la solución producción cloruro de hierro y cloruro de cobre I y II.

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Precauciones para el trabajo con ácidos

Figura9. Elementos de seguridad para el trabajo con ácidos

En el atacado del cobre de la placa donde está fijado el circuito que se desea elaborar, se debe tener en cuenta las precauciones adecuadas para el trabajo con sustancias químicas, entre ellas tenemos:

o Utilizar los implementos adecuados, como bata o delantal plástico, gafas, guantes.

o Se debe tener en cuenta que no haya contacto de las soluciones químicas con la piel, ni los ojos, regularmente son sustancias corrosivas para el cuerpo humano.

o El cloruro ferrico se debe disolver agua y no lo contrario, para evitar salpicaduras de la sal.

o Tratar de reutilizar la solución al máximo. o Los residuos deben ser evacuados a lugares donde no contaminen

fuentes hídricas de consumo humano.

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Enlaces de interés Dónde podemos encontrar más información

Ruteado con maquinas CNC.URL

http://scramcnc.com/index.php?option=com_content&view=article&id=53%3Acncimpresos&catid=38%3Acncimpresos&Itemid=61&lang=es http://www.ladelec.com/practicas/colaboradores/alfredo-rossini/592-construccion-de-una-maquina-cnc-para-hacer-circuitos-impresos.html

Proceso químico para ataque del cobre. URL http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Iron%28III%29_chloride