Grabado de PCB: Cómo grabar una placa PCB

Transformar el laminado revestido de cobre de una placa de circuito impreso en blanco en un circuito electrónico funcional implica eliminar cuidadosamente el cobre sobrante para dejar únicamente las pistas y almohadillas conductoras deseadas. Este paso vital de la fabricación se conoce como grabado de PCB o grabado de la placa de circuito. Representa un momento clave durante la fabricación de la placa, ya que traduce el diseño de la PCB a su forma física. 

Mientras que los fabricantes industriales dependen de equipos complejos de grabado químico, los aficionados pueden grabar placas sencillas en casa utilizando materiales económicos. 

Esta guía completa cubre todo lo relacionado con el grabado de placas PCB: la esencia de convertir una placa inerte en la columna vertebral del cableado de un dispositivo electrónico. 

En los próximos minutos, analizaremos diversos métodos de grabado de PCB, procedimientos, etapas del flujo de fabricación, medidas de seguridad al manipular productos químicos y consejos para solucionar problemas de grabado comunes. 

Muy bien, comencemos, ¿de acuerdo? 

¿Qué es el grabado de PCB?

El grabado de PCB consiste en eliminar selectivamente el cobre del laminado para dejar únicamente el patrón conductor deseado de pistas y almohadillas. Convierte la placa revestida de cobre en una placa de circuito impreso funcional. 

El grabado funciona utilizando productos químicos para disolver la lámina de cobre no deseada y, al mismo tiempo, enmascarar las áreas que deben permanecer intactas.

La técnica de grabado más común se basa en la fotolitografía. Se aplica una fotorresistencia sensible a la luz ultravioleta sobre la capa de PCB antes de utilizar una película de fotorresistencia con el diseño de circuito requerido.
 
La exposición a la luz reticula y endurece la resina, mientras que las zonas no expuestas permanecen solubles. El revelado químico elimina estas regiones solubles, dejando una máscara protectora que protege las características del cobre.

A continuación, la PCB se somete a un grabado con reactivos líquidos como cloruro férrico o persulfato de amonio, que eliminan todo el cobre expuesto. Finalmente, al retirar la máscara de fotorresistencia restante, se expone el patrón conductor deseado, que coincide con el diseño original del circuito. 

La placa grabada puede luego ser perforada, galvanizada, aplicada la máscara de soldadura y otros pasos de fabricación. Esto significa que el grabado ayuda a transformar la lámina de cobre en la estructura principal del cableado del circuito.

Tipos de grabado de PCB

Existen dos categorías principales de procesos de grabado de PCB: grabado húmedo y grabado seco. Es importante comprender que ambos métodos tienen ventajas y desventajas. 

Ahora bien, la elección de la técnica de grabado adecuada depende del tipo de PCB, la resolución y el ancho de línea deseados, la compatibilidad con los materiales, el coste y las consideraciones medioambientales.

Grabado húmedo

El grabado húmedo consiste en sumergir la PCB laminada revestida de cobre en una solución de grabado químico que elimina el cobre no deseado, dejando solo las pistas y almohadillas protegidas. Es un proceso económico, comúnmente utilizado para la producción de PCB a gran escala. 

Los dos tipos principales de soluciones de grabado húmedo son ácidas y alcalinas.

1. Grabado ácido

En el grabado ácido, el cloruro férrico (FeCl₃) es el agente de grabado más popular en la industria y en entornos de aficionados. Disuelve agresivamente el cobre de forma isotrópica, lo que significa que graba uniformemente en todas las direcciones. Esto lo hace ideal para grabar contornos complejos y PCB de capa interna.

Otras soluciones ácidas incluyen persulfato de amonio, peróxido de hidrógeno/ácido sulfúrico y cloruro de cobre. Su grabado isotrópico proporciona un alto control de la socavación, pero puede provocar el adelgazamiento de la vía si no se supervisa de cerca. Una importante desventaja de los grabadores ácidos es su toxicidad ambiental, que requiere una eliminación adecuada.

2. Grabado alcalino

Los reactivos de grabado alcalinos, como el persulfato de sodio y el hidróxido de amonio, graban el cobre anisotrópicamente, lo que significa que se forman paredes laterales verticales para una transferencia precisa del patrón. Esto permite una definición más fina de las características, con un ancho y espaciado de línea de hasta 25 μm. Las soluciones alcalinas graban más lentamente, pero proporcionan un mejor control del grabado.

Dado que la química alcalina graba en una sola dirección, suele requerir agitación con burbujeo de aire para un grabado uniforme en toda la placa. Los reactivos de grabado alcalinos son menos tóxicos que los ácidos. Un enjuague neutralizante después del grabado prepara la PCB para los procesos de enmascaramiento de soldadura y recubrimiento.

Por lo tanto, el grabado químico húmedo genera residuos peligrosos, pero permite grabar eficazmente capas delgadas de cobre de hasta 1 g (XNUMX oz). Ofrece un proceso más sencillo que el grabado en seco para circuitos impresos.

Grabado en seco

El grabado en seco utiliza plasma de gas o ablación láser para eliminar el cobre en lugar de agentes de grabado líquidos. 

Proporciona una precisión y una eficiencia superiores a las del grabado húmedo tradicional, lo que lo hace ideal para PCB HDI que requieren geometrías finas. 

Sin embargo, las máscaras estampadas y el equipo necesario hacen que el grabado en seco sea mucho más caro.

1. Grabado de plasma

En el grabado por plasma, el laminado revestido de cobre se coloca en una cámara de vacío inundada con plasma de descarga luminiscente. Cuando los iones reactivos del gas de plasma inciden en el sustrato, atacan químicamente las regiones de cobre expuestas.

El grabado con plasma puede utilizar oxígeno, dióxido de azufre, cloro o gases a base de flúor. El plasma permite un grabado altamente anisotrópico para crear paredes laterales verticales. Controlando parámetros como la potencia, la presión y la duración, se consigue una resolución de grabado inferior a diez μm.

La principal desventaja es que el plasma puede dañar las máscaras de fotorresistencia, lo que limita la flexibilidad del proceso en comparación con el grabado húmedo. También se requieren sistemas complejos de tratamiento de gases residuales para filtrar los subproductos tóxicos.

2. Grabado con láser

La ablación láser proporciona un método sin máscara para la formación directa de patrones de cobre mediante un haz láser altamente focalizado. El láser intenso calienta localmente la capa de cobre para vaporizar partes de ella limpiamente.

Los movimientos precisos del sistema láser permiten grabar líneas rectas y orificios de hasta 25 μm o menos cuando sea necesario. El proceso minimiza el daño superficial y evita la generación de residuos líquidos.

Sin embargo, la escritura en serie con láser es más lenta que los procesos fotolitográficos paralelos. Los sistemas láser son complejos, y la ablación zona por zona puede provocar un grabado irregular de la placa de circuito. La exposición térmica también puede inducir microfisuras en las capas dieléctricas.

Por lo tanto, si bien el grabado en seco promete una excelente calidad, requiere una inversión de capital considerable. El grabado químico húmedo sigue siendo la opción más viable para las necesidades diarias de prototipado y producción de PCB. 

Y, por supuesto, los métodos híbridos que combinan grabado húmedo y seco pueden proporcionar la flexibilidad y precisión necesarias para la electrónica del futuro.

¿En qué etapa se ubica el grabado de PCB durante su fabricación?

El grabado de PCB es el paso crucial que transfiere físicamente el diseño del circuito a la capa de cobre mediante la eliminación química de las regiones de cobre no deseadas. Se realiza después de la transferencia del patrón fotolitográfico, pero antes del acabado final.

El proceso desde el diseño de la PCB hasta la placa terminada requiere más de una docena de secuencias de fabricación. Las etapas que conducen al grabado de la placa de circuito son:

● Diseño: Los ingenieros crean el diseño de la PCB en el software CAD, especificando rutas de circuitos, componentes, tamaños de orificios, etc.
● Generación cinematográfica: La salida CAD se utiliza para crear una película de fotomáscara de alta resolución que define el diseño en patrones opacos y claros.
● Preparación del sustrato: La placa PCB laminada revestida de cobre se mecaniza al espesor adecuado y se perforan las vías.
● Tratamiento superficial: El panel PCB pasa por limpieza, granulado y otros tratamientos de superficie para mejorar la adhesión de la fotorresistencia.
● Aplicación fotorresistente: Un material resistente a la luz a base de polímeros se recubre uniformemente sobre el sustrato mediante pulverización o recubrimiento con rodillo.
● Horneado previo a la exposición: La PCB se hornea para eliminar cualquier humedad o solvente del revestimiento fotorresistente líquido.
● Visibilidad: La película de diseño se alinea con precisión con la PCB y se expone a una intensa luz ultravioleta. La luz endurece o ablanda selectivamente la resina.
● Desarrollando: Dependiendo del fotorresistente positivo o negativo utilizado, las áreas expuestas o no expuestas se disuelven con la solución reveladora.

En este punto, se revelan los canales y las almohadillas de cobre desnudo en la PCB, mientras que la fotorresistencia aún protege partes de la superficie. Ahora se puede realizar el grabado de la PCB para eliminar el cobre descubierto.

Los pasos posteriores al grabado incluyen:

● Eliminación de fotorresistencia: El revestimiento resistente residual se elimina mediante un decapado químico, dejando un diseño de circuito de cobre impecable.
● Recubrimiento de capa conductora: Se recubren orificios o vías de interconexión para formar caminos conductores entre capas.
● Recubrimiento de máscara de soldadura: Las áreas de montaje están enmascaradas para protegerlas de los puentes de soldadura y la corrosión ambiental.
● Impresión de leyenda: Los contornos, etiquetas y marcadores de los componentes están serigrafiados para facilitar el ensamblaje de la PCB.

Por lo tanto, el grabado de la placa de circuito es el paso crucial para transferir el diseño del circuito deseado a la capa conductora de cobre, eliminando con precisión el exceso de cobre. Se realiza después de la transferencia fotolitográfica, pero antes del acabado final de la PCB.

Cómo grabar una placa PCB (grabado de circuito impreso casero)

El grabado permite transferir el diseño de un circuito a la capa de cobre de una placa de circuito impreso en blanco eliminando de manera selectiva las regiones de cobre no deseadas que no están protegidas por una protección contra el grabado. 

Si bien el grabado comercial de PCB utiliza equipos fotolitográficos complejos, el grabado casero también puede producir placas de calidad a través de técnicas simples. 

Siga estos pasos clave para grabar una placa PCB:

Paso 1: Diseño del circuito 

Cree el diseño de las pistas de la PCB dibujando manualmente o usando software EDA como Eagle, KiCad o Fritzing. Planifique el tamaño de las pistas, el ancho de las pistas, el tamaño de los orificios, etc., según las necesidades del circuito. Genere archivos Gerber para la fabricación de la placa.

Paso 2: Patrón de diseño de impresión 

Para el método de transferencia de tóner, imprima el diseño en una hoja de transparencia para impresora láser. Para el grabado fotoquímico, imprima en una fotomáscara de película de alta resolución. Alinee la película con la emulsión hacia abajo sobre el cobre para transferir el patrón posteriormente.

Paso 3: Prepare el laminado revestido de cobre

Elija un revestimiento de cobre reforzado con fibra de vidrio de dimensiones adecuadas, con un peso de cobre de entre 1⁄4 oz y 2 oz. Frote ligeramente la lámina de cobre con lana de acero o lija fina para eliminar la oxidación y luego límpiela con alcohol isopropílico. Como alternativa, aplique una solución de estañado líquido para cubrir el cobre expuesto.

Paso 4: Transferir el diseño al cobre 

Para la transferencia de tóner, fije la hoja de transparencia con el tóner hacia abajo sobre la lámina de cobre limpia, usando hojas de revista para distribuir la presión. Planche el papel a máxima potencia durante 3-5 minutos y luego despegue la transparencia. Para el grabado fotoquímico, utilice una unidad de exposición UV.

Paso 5: Grabar la placa en cloruro férrico 

Mezcle el grabador de cloruro férrico según la ficha técnica del fabricante y sumerja la placa en el tanque de grabado con agitación. El tiempo necesario oscila entre 30 y 60 minutos para eliminar completamente el cobre de las zonas expuestas, dejando únicamente restos de tóner o resina protectora endurecida por rayos UV.

Paso 6: enjuague y seque 

Retire la placa del baño de grabado por escape y enjuague bien los residuos químicos con agua corriente. Séquela con un paño absorbente o a temperatura ambiente. Inspeccione visualmente el grabado del cobre.

Paso 7: taladrar agujeros 

Si el diseño tiene orificios para almohadillas o vías, utilice un taladro de broca pequeña para perforar los orificios en las intersecciones marcadas. Desbarbe completamente los orificios.

Paso 8: Retire la resistencia 

Utilice bolitas de algodón empapadas en acetona para quitar los residuos de resistencia seca del tóner o la fotorresistencia, lo que revela el patrón de cobre terminado necesario para instalar los componentes.

La placa desnuda grabada sirve como base para agregar almohadillas, orificios chapados, máscaras de soldadura e impresión serigráfica, transformándola en un conjunto de PCB funcional.

Si bien el grabado químico casero lleva tiempo, proporciona un proceso económico de creación de prototipos de placas de circuitos para hacerlo usted mismo antes de invertir en la fabricación de PCB en gran volumen para darle vida a las ideas de los productos. 

Con práctica, las placas PCB de alta fidelidad se pueden grabar en casa. Comprender los pasos descritos anteriormente le ayudará a ajustar los parámetros para mejorar la transferencia del diseño y obtener una calidad de grabado óptima.

Aquí tienes una guía completa sobre cómo grabar PCB en casa:

Problemas comunes encontrados en el grabado de PCB

Si bien el grabado de PCB permite la transferencia de patrones de diseño a la capa de cobre, pueden ocurrir varios defectos de procesamiento que generan fallas en el grabado. 
Comprender qué podría salir mal ayuda a solucionar problemas y optimizar el proceso de grabado. 

A continuación, se presentan siete problemas comunes que puede encontrar durante el proceso de grabado de placas de circuito:

socavar 

Esto se refiere al grabado lateral excesivo debido al comportamiento del grabado isotrópico. Provoca anchos de trazo reducidos y baja resolución. El uso de reactivos de grabado alcalinos, el control de la agitación y una sincronización óptima reducen el socavamiento.

Sobrecorte 

Cuando la solución de grabado aplicada es demasiado fuerte o el tiempo de grabado es demasiado largo, ataca la capa de resistencia, lo que provoca defectos de grabado de la PCB más allá de los límites del patrón. El monitoreo de las tasas de grabado y la inspección visual garantizan un resultado final óptimo sin sobrecortes.

Picaduras y poros 

Las superficies de cobre rugosas con abolladuras, rayones o impurezas se graban con mayor rapidez, lo que provoca la aparición de picaduras y agujeros en el cobre tras el grabado. Una preparación adecuada de la superficie de la PCB mediante desbarbado y cepillado del metal minimiza el grabado irregular.

Entallado de cobre 

El entallado se produce cuando las sustancias residuales del revelado de la resina se graban más rápido que el cobre, creando muescas y huecos en los bordes de las trazas. El revelado completo para eliminar los residuos previene el entallado.

Rastros rotos

Las tensiones mecánicas o de manipulación pueden desprender las finas trazas de cobre después del grabado. Asimismo, las perforaciones o mellas en la capa protectora exponen el cobre a un grabado prematuro. Una manipulación cuidadosa y una aplicación impecable de la capa protectora mantienen las trazas intactas.

Carpa

Cuando dos áreas de cobre están muy próximas, el material de resistencia suele formar puentes entre ellas. Durante el grabado, el cobre queda atrapado bajo la capa de resistencia, lo que puede provocar cortocircuitos. Una exposición adecuada crea aberturas limpias.

Falsos arranques y conexiones de almohadillas faltantes

Una transferencia incompleta o boquillas obstruidas provocan la pérdida de puntos del recubrimiento de reserva. Esto deja el cobre expuesto prematuramente, lo que crea roturas en las pistas o almohadillas aisladas después del grabado. Refinar el proceso de recubrimiento mejora la eficiencia de la transferencia.

La causa específica de los defectos de grabado se puede identificar mediante la observación y el análisis de placas de circuito impreso. Ajustar parámetros relevantes como la adhesión de la resina, la profundidad de exposición, la concentración del reactivo de grabado y la agitación ayuda a solucionar los problemas y obtener resultados de grabado de PCB de mejor calidad.

Precauciones de seguridad al grabar una PCB en casa

El grabado de PCB requiere trabajar con productos químicos agresivos como cloruro férrico, ácido clorhídrico o persulfato de sodio. Sin las precauciones adecuadas, los vapores ácidos y los riesgos del contacto con la piel pueden causar rápidamente problemas de salud. 

Debes seguir estos consejos de seguridad para grabar tú mismo:

1. Trabaje en un área ventilada utilizando una campana extractora para eliminar los vapores en suspensión de los productos químicos de grabado. Esto previene la irritación respiratoria. Un EPI adecuado, como un respirador para gases ácidos, proporciona protección adicional de las vías respiratorias.

2. Use guantes de nitrilo que cubran completamente sus manos. Verifique la compatibilidad de los guantes, ya que los de vinilo se degradan rápidamente en soluciones de grabado. Las gafas protectoras protegen los ojos de las salpicaduras, mientras que un delantal protege el cuerpo y la ropa.

3. Grabe en un tanque grande no metálico en lugar de recipientes pequeños, que se desbordan fácilmente. Coloque el tanque dentro de un recipiente de plástico más grande para recoger los derrames. Colóquelo sobre una mesa de trabajo resistente al ácido o sobre un piso de concreto para mayor estabilidad.

4. Prepare una solución de bicarbonato de sodio o bórax diluido cerca para neutralizar rápidamente cualquier derrame de ácido sobre la piel o las superficies. Tenga a mano también una estación de lavado de ojos de emergencia.

5. Al mezclar concentrados de ácido en polvo, añada el polvo al agua, no al revés. Esto evita reacciones violentas con salpicaduras.

6. Guarde los productos químicos de grabado usados, etiquetados de forma segura, en recipientes de plástico sellados para su correcta eliminación y para prevenir la contaminación ambiental. Además, mantenga una buena higiene lavándose las manos después del trabajo y evitando comer o beber cerca. 

Con precauciones de manejo responsables, el grabado de PCB se puede realizar con relativa seguridad, incluso en entornos domésticos donde lo haga usted mismo.

Conclusión 

El grabado de PCB es el paso de fabricación fundamental que elimina el cobre no deseado para transferir el diseño a la placa mediante disolución química.
Como señalamos anteriormente, dos métodos de grabado claves son el grabado húmedo con soluciones ácidas o alcalinas y el grabado seco con plasma/láser. 

El grabado de circuitos impresos se realiza después de los pasos iniciales de transferencia de patrones, como la transferencia de tóner o la fotolitografía. Algunos problemas comunes que pueden surgir aquí son el socavado de las pistas rotas según los parámetros de grabado, la manipulación de defectos o la resistencia a problemas de adhesión. 

Pero con las precauciones adecuadas, incluso el grabado casero con productos químicos sencillos produce buenos resultados. Es fundamental comprender los mecanismos de grabado, la optimización del proceso y la resolución de problemas, ya que esto permite aprovechar el grabado para transformar eficazmente placas en blanco en circuitos electrónicos funcionales.

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