Circuitos impresos: Tecnología que no se detiene

A medida que la electrónica de consumo incrementaba su producción y los precios bajaban de manera acelerada, uno de los elementos fundamentales que favoreció la miniaturización fue la aparición del circuito impreso (PCB). Reemplazar los grandes espacios repletos de cables por finas placas capaces de soportar todo el conjunto de componentes y conexiones, aceleró la reducción del tamaño de los equipos electrónicos y llegó al mundo a mediados del siglo pasado (1950) de la mano de una de las industrias más exigentes del mundo: las fuerzas armadas. No sólo los componentes evolucionan hacia nuevos conceptos; lo que alguna vez comenzó como un ensayo de papel prensado y saturado de resina fenólica, alcanzó transformaciones asombrosas que rara vez tenemos en cuenta, pero que nos sorprenden día a día.

La idea, desde sus orígenes, fue un acierto de la industria electrónica y los ingenieros han trabajado duro para lograr transformar los enormes cableados de conexión que invadían los equipos electrónicos, en pequeñas placas de un espesor equivalente a pocas hojas de un libro. Estos primeros circuitos impresos (PCB) estaban construidos de papel prensado y saturado de resina fenólica, resultando ser el material que hoy se conoce como FR-2 (Flame-Retardant #2) (Retardante de Llama Tipo 2).Una de las principales desventajas que este material presentó, desde los comienzos, es su fragilidad en ámbitos donde la rigidez estructural y la resistencia física sean factores determinantes. Un ejemplo claro de esto fueron los primeros tableros diseñados para automóviles, donde las placas se desempeñaron muy bien ante las exigencias mecánicas y térmicas, a las que estaban expuestos los tableros de los vehículos de los años 1970. Sin embargo, la falla menos pensada trajo demasiados problemas en su momento. El conector que se empleaba para conducir el cableado hasta el panel de instrumentos rompía el PCB ante los movimientos de extracción e inserción.

Otro ejemplo conocido se presentó en las unidades de encendido electrónico de algunos vehículos Ford. Los módulos funcionaban bien en el laboratorio, pero en un entorno de producción real y de trabajo exigente, la placa fenólica no resistía las variaciones de temperatura. En ellas se provocaban deformaciones permanentes, grietas en las vías de cobre y múltiples problemas mecánicos ocasionados por las variaciones de temperatura a las que estaban expuestos en el interior del motor. Estos defectos provocaban fallas muy difíciles de resolver y la marca del óvalo tuvo múltiples complicaciones para remediar estos inconvenientes. Las novedosas placas basadas en fibra de vidrio (FR-4, Flame-Retardant #4) eran muy costosas en aquellos años y su inclusión ocasionaría un incremento de costos no admitido. El intento de solución fue muy vulgar ya que el receptáculo donde se alojaba el PCB se debía rellenar con arena, la que era utilizada como elemento disipador de calor. Esto redujo la tasa de fallas a menos de un 5% durante el período de garantía del coche. Todo un éxito comercial para la compañía y todo un fiasco para los clientes.

Como todo producto o tecnología que irrumpe en el mercado de consumo, está expuesta a usos raramente pensados por los desarrolladores y son los consumidores (y sus necesidades), los que terminan guiando el rumbo de un producto. Además de las propiedades de ahorrar espacio, mano de obra en el armado y cantidad de materiales, las placas de circuito impreso se destacaban porque no tomaban fuego ante problemas graves, a diferencia de los cables internos de otros equipos que terminaban incendiando todo lo que tenían a su alcance. El nombre técnico de los materiales (“FR”) y su distinción por clase hablan de esa propiedad, como una de las más destacadas, al momento de referenciar a este tipo de construcción. Los años y el mercado de consumo hicieron que el FR-4 se convirtiera en un estándar de la industria por sobre el resto de los materiales (industria automotriz, ordenadores, telecomunicaciones, etc.) en aplicaciones donde la rigidez mecánica sea una necesidad. Para aplicaciones más “estancas” o libres de manipulación constante, FR-2 sigue siendo (en la actualidad) una opción que, en grandes volúmenes de producción, hace notar su menor precio.

Uno de los avances más notables en la tecnología FR-4 fue la aparición de las placas “multi-capas” pasando de una cara (o faz) única de cobre a placas dobles y de hasta 8, 12 e incluso 26 capas de vías conductoras. De todos modos, a pesar una mayor integración y reducción de los tamaños de los circuitos integrados, la cantidad de capas utilizadas en un PCB tenían un límite “de uso” por la aplicación. Por ejemplo, una placa PCI de ordenador sólo podría tener 6 u 8 capas en comparación a otras aplicaciones donde pueden encontrarse mayores cantidades. Además de otorgar una mayor rigidez mecánica, la cantidad de capas ha permitido distribuir de otras formas las vías de alimentación y distribución de energía dentro de un PCB y la densidad de vías de datos se ha elevado en formas poco imaginadas durante los inicios de estas tecnologías, con líneas tan finas que apenas pueden distinguirse. Otro avance, no menor, ha tenido lugar en el mecanizado de perforación láser que permite obtener agujeros de 0,1 milímetros de diámetro reduciendo de este modo el diámetro de la “necesaria” isla de cobre para formar el conocido “puente” que conecta las diferentes capas entre sí.

Otro aspecto novedoso de la tecnología de circuitos impresos habla del espesor del cobre destinado a las vías del circuito. Por ejemplo, la necesidad de voltajes más bajos para los FPGA’s y/o nuevos microprocesadores, trae consigo la necesidad de una mayor corriente. Esto ha llevado a la tecnología de fabricación de los PCB a presentar laminados de cobre de mayor espesor en las capas destinadas a las vías de alimentación. Por lógica, los fabricantes poseen diferentes reglas de diseño y las especificaciones varían de acuerdo a las capacidades operativas de cada empresa. De todos modos, por lo general, esto viene claramente documentado en tablas donde se detallan todos los datos y si existen necesidades de vías adicionales, en los casos en que el laminado de cobre en la placa no es lo suficientemente grueso como para soportar la corriente dentro de una única vía. La cantidad de capas, el espesor del laminado de cobre, la densidad posible de vías por centímetro cuadrado y los diámetros posibles de los agujeros son sólo una parte del procesamiento dentro de la moderna tecnología utilizada en la fabricación de los circuitos impresos. Los sustratos, o materiales de soporte para las vías de cobre son, en la actualidad, también de alta tecnología.

Más allá de los materiales flexibles, que permiten construir cintas de conexiones múltiples y soportes para aplicaciones puntuales, los materiales como el teflón o diversos tipos de poliamidas específicas (polímeros), permiten trabajar con  bajas constantes dieléctricas y tienen menos pérdidas cuando se transmiten señales de alta frecuencia a través de ellos. Sin embargo, algunas empresas no pueden afrontar el costo de este tipo de avances tecnológicos y apelan a optimizar la distribución de las vías de cobre, para lograr las frecuencias de trabajo deseadas en secciones de impedancia inducida. Por ejemplo, manipulando los espesores y el ancho de las vías es sencillo obtener secciones de 50 Ohm de impedancia, valor estándar en telecomunicaciones para el acoplamiento entre diferentes etapas de señal. En otro tipo de aplicaciones, el FR-4 ha sido desplazado por sustratos cerámicos o metálicos que ofrecen diferentes características que el desarrollador de equipos puede aprovechar en sus diseños. Por ejemplo, los soportes cerámicos se utilizan desde hace muchos años en módulos amplificadores de audio  donde la disipación térmica es un factor preponderante y donde el FR-4 no puede ofrecer buen desempeño a lo largo del tiempo. Además, la cerámica se utiliza en mucho en lugares donde la aislación eléctrica sea parte fundamental del diseño. Para estas aplicaciones, el uso de FR-4 exigiría dimensiones muy superiores que la cerámica resuelve en poco espacio.

En la actualidad, la iluminación LED está incorporando una nueva tendencia hacia los soportes metálicos para el PCB. Es decir, las placas no son de fibra de vidrio o de material fenólico sino que son de metal. Si bien esta tecnología no es una novedad, ahora está cobrando un nuevo empuje gracias a la demanda masiva, ya que antes, sólo se producía en pequeñas escalas para aplicaciones muy puntuales y especiales. Además, hoy encontramos que este núcleo de metal se ha perfeccionado sobre cobre, aluminio o acero y ofrecen una disipación de calor hasta nueve veces mejor que los tradicionales circuitos impresos de tecnología FR-4. Un PCB de núcleo de metal, combinado con su alta tecnología de procesamiento, puede resolver problemas en aplicaciones tan diversas como el suministro de energía en un automóvil, la energía solar, el control de potencia de motores eléctricos, de distribución de energía como en el caso del alumbrado público. Los diseñadores de estaciones base para telefonía móvil están colocando sus amplificadores de potencia en los mástiles de las antenas donde no es necesario el uso de ventilación forzada. El propio metal de soporte del PCB hace las veces de eficiente disipador de calor en este ejemplo de aplicación.

Como en todo aspecto de la industria, la calidad del producto varía de un fabricante a otro en cuanto al tipo de material empleado en su construcción, su tratamiento, su espesor y sus ensayos de laboratorio sobre condiciones extremas. De todas formas, siempre es interesante estar informado de las posibilidades que nos ofrece esta industria para facilitarnos el trabajo de diseño. Por ejemplo, en lugar de ahorrar algunos billetes en un PCB económico, podemos obtener un mejor desempeño con mejores materiales en tamaños reducidos y en consecuencia alcanzar mayores tiempos de vida útil de un producto. Sin duda alguna, esto significará una mayor satisfacción del cliente final y notables incrementos en nuestras ventas.