Placas de circuito impreso (PCB) en casa.            


Voy a comentar los pasos y materiales que uso para realizar una placa de circuito impreso en casa, con los cuales obtengo un buen resultado ya que más de un 90% de placas salen bien y me permite hacer pistas de hasta 0.25 mm, que son necesarias cuando se usan componentes pequeños smd como microcontroladores y otros circuitos integrados, por lo que podremos hacer prácticamente cualquier pcb de 1 a 2 caras en casa sin necesidad de tener que encargarlo.

Para realizar un pcb lo primero es un software para su diseño, yo he usado dos el Orcad y el Eagle, y después de haber realizado varias placas con ambos me quedo con el Eagle. Además se puede obtener una versión gratuita que permite hacer placas de hasta 80 mm x 100 mm con restricciones de dos layers máximo y una hoja de esquemático. Si se quiere la versión completa comprarlo es bastante más barato que otras alternativas, y si se quiere no comprarlo también es bastante sencillo... Pero por su facilidad de uso y por tener una opción gratuita que nos pemitirá realizar muchas placas es una clara elección, además se puede bajar de su página web muchas librerias de componentes subidad por usuarios, que nos ahorrarán un tiempo en hacer los footprints. Se puede obtener en http://www.cadsoft.de y la versión de Linux es tan fácil de usar y funciona igual de bien que la de windows.

Cuando abrimos el programa nos encontramos una pantalla como la siguiente:


Para realizar una placa debemos crear un nuevo proyecto, en este caso pic, en el creearemos un nuevo schematic y lo añadiremos al proyecto, del cual posteriormente generaremos la placa del circuito impreso, pero todo esto y como usarlo viene en el manual que se puede descargar de la dirección anterior, además es muy sencillo de usar.

En el esquemático situaremos los componentes y dibujaremos las conexiones entre ellos, para después generar la placa a partir de él dando al  quinto botón (una puerta y un integrado). Mediante el comando add vamos buscando y añadiendo componentes de la libreria para luego hacer sus conexiones mediante el comando wire o el botón de una recta al lado de la T.



Lo siguiente es hacer la placa para sacar un fotolito, para ello tendremos que colocar los componentes (su posición física real) y trazar las pistas de las conexiones anteriores entre ellos (manual del Eagle), el resultado final debe de ser algo así:



Para ello debemos seguir algunas normas para relizar circuitos impresos, como evitar ángulos rectos en las pistas, respetar distancias entre componentes y pistas ya que si las ponemos muy juntas luego no vamos a poder hacerlas, cálcular el ancho de pista en función de la corriente que debe llevar ( http://circuitcalculator.com/wordpress/2006/01/31/pcb-trace-width-calculator/ ), evitar búcles de tierra y muchas reglas más que habrá que pensar en ellas si el circuito no funciona...

Una placa puede tener varias capas, en casa por lo general sólo podremos hacer hasta dos, una por un lado de la cara y la otra por el otro. Cuando las pistas las dibujamos en rojo significa que las pistas y los componentes van ambos por la misma cara, y cuando las dibujamos en azul las pistas van por una cara y los componentes por el otro, por lo que a la hora de colocar el fotolito sobre la placa de cobre debemos darle la vuelta, es decir escribimos unas letras en azul y estas deben quedar en la placa real que puedan leerse de forma normal (de  izquierda a derecha).

Si nos queda alguna pista sin trazar como en la placa de arriba al lado de R8 porque no hay manera tirar la pista sin que corte a otra, haremos un puente, es decir realizarmos la placa sin la pista y luego la unimos mediante un cable, hay que dejar espacio para soldar el cable. Una vez tengamos todo le damos a Display/hide layers.. en view hasta que tengamos lo que debe ir sobre el cobre, algo así:




Y le damos al botón de imprimir, o bien en papel para llevarlo a una imprenta o sitio de fotocopias donde nos hagan una transparencia con el circuito, o imprimimos directamente en una transparencia mediante una impresora laser. Yo uso una impresora laser de resolución 1200x600 creo recordar (de las baratas que hay ahora) y debo colocar dos fotolitos sobre el cobre para que no pase la luz. Lo que sale caro es el papel de transparencia, que puede costar 40 euros 100 hojas.

El fotolito debe de quedar algo así:




En el de abajo se puede observar lo de las letras, como lleva componentes que van por la otra cara a la de las pistas (los cuadrados de 4 patas) se han dibujado letras en azul, para colocarlo sobre el cobre habría que darle la vuelta, de tal forma que las letras se leyesen igual que las de arriba. En este caso en especial se puede colocar y se ha colocado de las dos formas, ya que el componente que va por la otra cara se puede girar (un sentido representa una colocación de los sensores y el otro otra), pero por lo general esto nunca ocurre y si lo colocamos mal no servirá el pcb.

Una vez que tenemos nuestro fotolito lo siguiente es pasarlo a un trozo de cobre, y aquí hay varias formas de hacerlo, yo voy a poner lo que uso y me da buen resultado, y los materiales que empleo y donde obtenerlos.

Lo primero es una insoladora, que sirve para pasar nuestro fotolito a la placa de cobre. Una insoladora por lo general se suele construir y obtener muy buenos resultados, son unos fluorescentes o diodos leds dentro de una caja, yo compre una que no es muy cara ya que es algo que utilizo bastante, y después de unas cuantas placas se amortiza.

Uso la siguiente comprada en amidata o farnell, no recuerdo: Código RS555-279



http://es.rs-online.com/web/search/searchBrowseAction.html?method=getProduct&R=0555279#header 

 La imagen creo que es el modelo medio, el modelo que yo tengo el pequeño no lleva el temporizador electrónico si no mecánico. Por 165 euros no es tontería y nos permite hacer la mayoría de las placas para robots con 245 mm x 150 mm de área de exposición.

Las placas de cobre listas para insolar que uso: Código RS292-6926



http://es.rs-online.com/web/search/searchBrowseAction.html?method=getProduct&R=292-6926#header

Son unas placas muy finas de 0.4 mm y 35 um de cobre, muy resistentes y que se pueden cortar con unas simples tijeras y dar cualquier forma. Por lo que tenemos una placa fácil de trabajar, resistente que no ocupa y no pesa, si la placa no va a ser a la vez base del robot yo creo que son ideales. Para pasar el circuito debemos colocar el fotolito sobre la placa en la posición correcta (lo de las letras), lo hacemos sin que le de una luz directa de un flexo o con poca luz de forma rápida, ya que la placa pierde la protección cuando le da la luz, yo lo hago con la luz del techo y no pasa nada. Lo podemos fijar con un poquito de celo para que no se mueva y una vez hecho esto la metemos en la insoladora.

Lo importante del insolado es el tiempo que debe estar la placa dentro de la insoladora, su tiempo de insolado, depende del tipo, marca, model de  placas que usemos y es algo crítico, si insolamos de menos o de mas las placas saldrán mal, por lo que cuando tengamos una placa que nunca hayamos usado lo mejor es usar pequeños trozos de prueba con distintos tiempos de insolado y ver como salen. Para estas placas en esa insoladora a mi me salen bien metiendolas 3 minutos.

Una vez que hemos insolado la placa debemos de revelarla, mediante el insolado y revelado lo que hacemos es quitar la película que protege al cobre en aquellas zonas que han estado expuestas a la luz de la insoladora, para después meter el trozo de placa en el ácido y que este se coma todo el cobre de la placa que no ha quedado protegido, obteniendo de esta forma nuestro fotolito grabado en cobre.

Siguiendo de compras por amidata dos cosas que vienen bien pero no son necesarias son las siguientes:

Juego de 3 bandejas, una para el revelador, otra para el ácido y otra para agua. Código RS555-572


http://es.rs-online.com/web/search/searchBrowseAction.html?method=getProduct&R=0555572#header

Y un juego de 3 pinzas, una para cada bandeja. Código RS556-244


http://es.rs-online.com/web/search/searchBrowseAction.html?method=getProduct&R=0556244#header

Con esto nos evitaremos tener que estar buscando donde echar los líquidos, ya que el ácido todo lo que toca lo ensucia bastante, y seguro que habrá alguna forma de quitarlo, pero yo todavía no la he descubierto.

Pero vamos a lo necesario, el revelador. El revelador lo tenemos que preparar en casa y lo mejor es comprar un bote de estos. Código RS690-849



http://es.rs-online.com/web/search/searchBrowseAction.html?method=getProduct&R=690-849#header

En las instrucciones pone que hay que echar 50 gr por un litro de agua caliente, por lo que echaremos sobre una bandeja de las anteriores un litro de agua de grifo caliente a la temperatura que indica más o menos y 50 gramos de revelador. Es importante que esté caliente ya que la temperatura influye bastante en el tiempo del revelado, y este tiempo es tan crítico como el de insolación, si lo dejamos poco no removeremos la película protectora del cobre y si lo dejamos más de la cuenta nos comeremos la película sobre el cobre. Por lo que es mejor tenerlo a la temperatura indicada al revelar los circuitos, si todo va bien el proceso es casi instántaneo, en unos pocos segundos tendremos dibujado nuestro fotolito en negro sobre la placa de cobre y lista para meterla en el agua y al ácido. Yo el revelador no lo suelo guardar, como con un bote de esos da para hacer 10 veces placas y aprovecho para hacer todas las placas que tenga que hacer de una vez,  lo hago nuevo cada vez que me pongo, no sé si se podrá guardar. Importante tiempo de revelado y temperatura.

Una vez con el trozo de cobre revelado lo tenemos que meter en ácido para que se coma el cobre que no queremos y nos deje las pistas que nos interesa. Como ácido yo uso cloruro férrico, si se toca con la mano no pasa nada, la única pega es que el proceso es lento, de 10 a 30 min en que se coma una placa y donde cae mancha.

Compro el siguiente de amidata: Código RS434-9056


http://es.rs-online.com/web/search/searchBrowseAction.html?method=getProduct&R=434-9056#header

Para prepararlo en medio litro de agua caliente en una bandeja de las anteriores echamos una bolsa de estas que tienen 250 gramos de bolitas de cloruro férrico, o las dos bolsas en un litro de agua es casi mejor, así tenemos más ácido si vamos a meter muchas placas ya que una vez que terminemos de hacer las placas echamos este ácido en una botella y está preparado para la próxima vez, lo único que tenemos que hacer es meter la botella en un cubo de agua caliente antes de usarlo. La temperatura influye en la velocidad con la que se come el cobre pero no es crítico como en los casos anteriores, si está frío (temperatura ambiente, no muy frío) pues tardaremos más que si está caliente, pero se acabará comiendo el cobre. Lo mejor es echar las placas y mover las bandeja suavemente para que se produzcan olitas, e ir mirando cada rato como va la placa hasta que veamos que se ha comido el cobre que queremos y está lista, si lo dejamos de más pues se acabará comiendo todo. El proceso es más lento que con otro tipo de atacantes, pero a mi me sale bien así.

Una vez que el ácido se ha comido el cobre que queremos limpiamos la placa para quitar la película protectora frotandola con alcohol del botiquín y papel de baño, comprobamos la continuidad de las pistas con un polímetro y después de todo esto el resultado que obtenemos si todo ha salido bien será algo como esto:



Las pistas de 0.25 mm que van al microcontrolador (el único circuito integrado que hay) salen sin problemas.



En este pcb se ve lo que digo de las letras, si tenemos componentes en la cara opuesta a las pistas (misma cara pistas en rojo o top. Pistas en una cara y componentes en otra,  pistas en azul o bottom) y hemos puesto las letras en azul este pcb estaría mal hecho, deberíamos leer las letras como en el de arriba, un pcb así no sirve de nada ya que las conexiones no se corresponden con las conexiones del componente, habría que colocar el componente en la cara de las pistas en lugar de en la otra. En este caso no es erroeno porque el componente que uso se adapta a las dos colocaciones del fotolito girandolo, lo único que hace es cambiar la orientación del sensor, pero esto casi nunca ocurrirá.

Resumiendo los pasos.

1. Creación del fotolito mediante soft e impresión de éste.
2. Colocación sobre la placa e insolado.
3. Revelado y enjuagar.
4 Atacado.
5. Limpiar la película protectora con alcohol.
6. Comprobar la continuidad de las pistas con un polímetro por si tenemos algún microcorte para estañarlo.


Ya está listo el pcb, ahora toca soldarlo, para esta tarea lo mejor es hacerse con buenas herramientas ya que vamos a usar componentes smd y necesitamos una buena precisión. Muchas son las ventajas de usar componentes smd (componentes de montaje superficial) sobre dip (componentes que atraviesan la placa), la primera es la diferencia enorme de tamaño además son mucho más fáciles y rápidos de soldar ya que no debemos de estar girando constanmente la placa. Un micro como el de abajo se suelda en un minuto o menos con las herramientas adecuadas y no es necesario tener un pulso firme, vamos a mi me tiembla bastante el pulso y soy capaz de soldarlo sin problemas, así que si yo lo hago cualquiera lo puede hacer, por lo que el que dice que soldar smd es un inconveniente, es que nunca lo ha soldado o ese día tenía un soldador con punta de 3 mm... El dip resulta útil para probar prototipos en la placa de pinchar (protoboard) o para hacer puentes y pasar pistas a la vez que se usa el componente como con las resistencias en el circuito anterior.

Diferencia de tamaño entre el mismo microcontrolador en dip y smd. Razón de peso.


Lo primero antes de ponernos a soldar es perforar la placa para aquellos componentes que necesiten atravesarla, para ello lo mejor es marcar con un punzón para que no se escape el taladro y después taladrar para el diámetro respectivo de cada componente. Lo más sencillo es usar un taladro de mano como el de la foto.. 



En amidata se puede encontrar:

Taladro Código RS547-616
Juego de brocas Código RS240-3754

Una vez perforada situamos los componentes y pasamos a soldarlo. La elección del soldador es muy importante, además de un tamaño de punta los soldadores tienen una potencia, y si usamos una potencia demasiado alta durante el periódo de tiempo que tardemos en realizar la soldadura podemos quemar el componente,  hay que usar el soldador adecuado. Para soldar integrados y pequeños componentes el mejor soldador que yo he encontrado es el 14S de JBC (11 watios) con la punta de 0.5 mm no habrá smd que se nos resista.

Un sitio donde adquirir el soldador a buen precio y la punta es en www.divineo.es , también es recomendable comprar el soporte del soldador, es muy cómodo y merece la pena ya que si cae de punta ya podemos estar comprando otra. Al principio nadie lo compra por el precio y al final la mayoría acaba con él..

Soldador JBC 14S. http://www.divineo.es/cgi-bin/div-es/acs033003


Soporte JBC soldador 14S. http://www.divineo.es/cgi-bin/div-es/acs033002


Punta 0.5 mm. http://www.divineo.es/cgi-bin/div-es/acs026010


Sin salir de esa tienda hay más cosas que vienen bien comprar, tener una buena herramienta es fundamental para trabajar, sino lo único que harémos es perder el tiempo y el dinero.

Los alicates de corte de JBC para cortar la parte del componente que sobresale de la soldadura al atravesar la placa.

Alicate. http://www.divineo.es/cgi-bin/div-es/acs001011


Unas pinzas para manejar los componentes smd, yo uso esta junto con otra totalmente recta también de JBC.

Pinza. http://www.divineo.es/cgi-bin/div-es/acs001009


Flux, esto es casi obligatorio a la hora de soldar, mejora la soldadura, ayuda a que corra el estaño y algún milagro más, hay que aplicarlo cuando tenemos óxido, lo mejor es pasarlo por la zona sobre la que vamos a soldar siempre, se nota bastante en la soldadura.

Flux. http://www.divineo.es/cgi-bin/div-es/acs001009


Un cable ideal para hacer puentes siempre que no tenga que llevar mucha corriente lo encontramos aquí.

Cable. http://www.divineo.es/cgi-bin/div-es/acs041003


Punzón y otras herramientas para cortar pista. Lo que merece la pena es el punzón.

Punzón. http://www.divineo.es/cgi-bin/div-es/acs001003


Por último algo casi necesario es un soporte para sujetar la placa mientras realizamos la soldadura, ya puede ser una pinza con brazo, yo uso uno de esos que me resulta cómodo para trabajar.

Soporte. http://www.divineo.es/cgi-bin/div-es/acs034002


Con esto podemos realizar casi cualquier soldadura, para soldar un microcontrolador daremos flux sobre la superficie, estañamos un pad (a donde va la pata) de la placa, a continuación pasamos a colocar el microcontrolador sobre la placa con un pad en la placa estañado. Una vez que esté perfectamente centrado calentamos la parte de la placa estañada con el soldador para fijar el microcontrolador a la placa y posteriormente pasamos a soldar los demás puntos, calentando la pata y dando un poquito de estaño. Para soldar una resistnecia, condensador u otro componente lo hago de la misma forma, estaño un pad de la placa, por ejemplo uno de los lados a donde va la resistencia, coloco la resistencia en su sitio sobre la zona estañada y caliento fijando esta zona y luego soldando la otra parte y repasando la anterior si es necesario. Resulta bastante tápido y fácil soldar smd, un tamaño smd de resistencias, diodos, condensadores que a mi me gusta utilizar es el 1206 (medidas de ancho por largo en una unidad que no recuerdo) que se ve en la foto. Con el micro, integrados es importante limpiar la punta del soldador entre soldadura y soldadura o pocas soldaduras, con una esponja húmeda que viene en el soporte para no dejar estaño acumulado en la punta que nos pueda unir las patas, y una vez soldado comprobar la continuidad con un polímetro para detectar cualquier posible unión entre los pines.

Si mientras soldamos se nos juntan un par de patas del micro con estaño que es lo más normal , debemos desoldar usando malla de desoldadura, esto es una tira metálica flexible (como cable trenzado), cortamos un trozo y le damos un poco de flux, lo colocamos sobre las dos pistas o patas unidas y calentamos sobre la malla con el soldador y el estaño se pasará a la cinta quitandose de las patas o pistas unidas.

Malla de desoldadura. http://www.divineo.es/cgi-bin/div-es/acs001014


Para desoldar una resistencia o condensador con calentar ambos lados uno a continuación de otro varias veces suele moverse sin problema. Para desoldar un integrado como el micro o cualquier otro lo mejor es una estación de aire caliente que también se puede obtener en esta página por unos 80 euros, yo uso una de éstas para soldar y desoldar, más bien desoldar, aunque si tenemos que soldar muchas resistencias o vamos a hacer varias placas en serie lo mejor es soldar con la estación de aire caliente y pasta de soldadura, ya que estar posicionando cada resistencia y condensador y haciendo las soldaduras a mano si son muchos lleva tiempo. Para desoldar/soldar con una de estas estaciones sólo hay que pasar el  chorro de aire caliente sobre las patas del integrado, hacer una desoldadura de un micro grande resulta rápido y sencillo. Una vez quitado limpiamos la zona de la placa desoldada con malla de soldadura pasada por el flux, para llevarnos el estaño que haya podido quedar y evitar pistas unidas.

Estación. http://www.divineo.es/cgi-bin/div-es/acs010007


Muchas herramientas de las anteriores no son del todo necesaria, pero las amortizaremos a la larga ya que nos ahorrarán mucho tiempo de trabajo y obtendremos buenos resultados. Siguiendo los pasos y con un poco de práctica se puede hace cualquier pcb de una o dos caras de uso común en los de robótica, obteniendo unos resultados que desde mi punto de vista son buenos ya que nos permite trabajar con micros y componentes smd.

Una imagne del robot hecho con estos dos pcbs siguiendo estos pasos y resultado final de la soldadura.


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