Dominando El Arte De La Perforación De PCB: 9 Técnicas Exquisitas

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El taladrado es el proceso más costoso y que más tiempo consume en la fabricación de PCB. El proceso de taladrado de PCB debe llevarse a cabo con cuidado, ya que incluso un pequeño error puede provocar grandes pérdidas. El proceso de taladrado es el paso más crítico en la fabricación de PCB. Forma la base para las interconexiones entre los vias y diferentes capas, lo que hace que las habilidades de taladrado sean extremadamente importantes.

Técnicas de Perforación de PCB

Existen principalmente dos tipos de técnicas de perforación de PCB: perforación mecánica y perforación con láser.

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Perforación Mecánica

La perforación mecánica tiene una menor precisión pero es fácil de ejecutar. Esta técnica de perforación implica el uso de brocas mecánicas. El tamaño mínimo de orificio que estas brocas pueden producir es aproximadamente de 6 mils (0.006 pulgadas).

Limitaciones de la Perforación Mecánica

Cuando se utiliza en materiales más suaves como FR4, las brocas mecánicas se pueden usar alrededor de 800 veces. Para materiales con mayor densidad, la vida útil puede reducirse a 200 ciclos. Si los fabricantes de PCB pasan por alto este aspecto, puede resultar en agujeros incorrectos, lo que lleva al desecho de la placa de circuito.

Perforación con láser

Por otro lado, la perforación con láser puede crear agujeros más pequeños. La perforación con láser es un proceso sin contacto en el cual la pieza de trabajo y la herramienta no entran en contacto entre sí. Se utiliza un haz de láser para eliminar material de la placa de circuito y crear agujeros precisos, lo que permite un control sencillo de la profundidad de perforación.

La tecnología láser se utiliza para perforar fácilmente vias de profundidad controlada, permitiendo la perforación precisa de agujeros con un diámetro mínimo de 2 mils (0.002 pulgadas).

Limitaciones de la Perforación con Láser

Las placas de circuito impreso (PCB) están compuestas de cobre, fibras de vidrio y resinas, los cuales poseen diferentes propiedades ópticas, dificultando que el haz de láser penetre eficazmente la placa de circuito. La perforación con láser, en este caso, también conlleva costos relativamente más altos.

Proceso de Taladrado de PCB

Para los ingenieros de PCB, comprender la fabricación de PCB es esencial al diseñar placas de circuito. Esto garantiza que el diseño del PCB sea fabricable y confiable. Por otro lado, considerar los procesos de fabricación durante el diseño puede reducir los costos y permitir la entrega oportuna del producto.

Después del proceso de laminación, la placa multicapa se carga en el panel de material de salida de la máquina de taladrado. El material de salida reduce la formación de rebabas. Las rebabas son protuberancias de cobre que se forman cuando el eje de taladrado penetra la placa. En la parte superior de este panel, se apilan más capas y se alinean cuidadosamente. Finalmente, se coloca una lámina de papel de aluminio sobre todo el conjunto. El papel de aluminio evita las rebabas de entrada y disipa el calor generado por la rápida rotación de la broca. Una vez que se taladra el número requerido de agujeros, la placa de circuito se envía para su tratamiento de desbarbado y limpieza.

Dada la importancia crítica de la calidad del taladrado, se debe considerar la geometría de las herramientas. El acero de alta velocidad (HSS) y el carburo de tungsteno (WC) son materiales comúnmente utilizados para las brocas de taladrado de materiales compuestos. Durante el procesamiento de polímeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP), las herramientas de aleación dura pueden proporcionar una mayor vida útil de la herramienta. Las brocas de aleación dura se utilizan típicamente para el taladrado de PCB.

Ángulo de punta y ángulo de hélice

El ángulo de punta de la broca PCB es de 130°, y el ángulo de hélice está entre 30° y 35°. El ángulo de punta se encuentra en la parte superior de la broca y se mide entre los filos de corte más prominentes.

El ángulo de hélice es el ángulo en el lateral de la broca en el punto de intersección.

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Taladradora de Control Numérico (CNC)

Una taladradora CNC es una máquina de control numérico computarizado (CNC) preprogramada. El taladrado se realiza según las coordenadas XY introducidas en el sistema CNC. El husillo gira a alta velocidad para garantizar un taladrado preciso en la placa. A medida que el husillo gira a alta velocidad, se genera calor debido a la fricción entre la pared del agujero y el husillo, lo que derrite los componentes de resina en la pared del agujero y provoca manchas de resina. Una vez taladrados los agujeros necesarios, se desechan los paneles de salida y entrada. Este es un detalle menor de lo que sucede en el taller. A diferencia de los procesos de grabado y galvanoplastia, los procesos de taladrado no tienen una duración fija. El tiempo de taladrado en el taller varía según el volumen de agujeros que se deben taladrar.

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Dos Aspectos Importantes del Taladrado de PCB

Relación de Aspecto

La relación de aspecto se refiere a la capacidad de platear efectivamente cobre dentro de un orificio (vía) en el PCB. A medida que el diámetro disminuye y la profundidad aumenta, platear cobre dentro del orificio se convierte en una tarea desafiante. Esto requiere de un baño de electroplateado con alta capacidad de plateado uniforme para que el líquido pueda fluir dentro de los pequeños agujeros.

Relación de Aspecto (AR) = (Profundidad del Orificio / Diámetro de la Broca)

La relación de aspecto para las vías es de 10:1 y para las microvías es de 0.75:1.

Típicamente, para un PCB de 62 ml, el tamaño mínimo de la broca puede ser de 6 mils.

Espaciado entre Cobre Taladrado

El espaciado entre cobre taladrado es la separación planar entre el borde del orificio perforado y la característica de cobre más cercana. La característica de cobre más cercana puede ser una pista de cobre o cualquier otra área activa de cobre. Este es un factor crucial ya que incluso pequeñas desviaciones pueden provocar interrupciones en el circuito. El valor típico de taladrado de cobre es de alrededor de 8 mils.

Espaciado mínimo = Ancho del Anillo Anular + Espaciado del Dique de Máscara de Soldadura

Clasificación de Perforaciones en PCB

El orificio metalizado a través de la placa (PTH) es una vía conductora que transporta señales, permitiendo interconexiones entre diferentes capas de la placa de circuito impreso. Se utiliza para montar los componentes de forma segura durante el proceso de ensamblaje del PCB. Los orificios sin metalizar a través de la placa (NPTH) son orificios no conductores. Estos orificios no tienen niveles de tolerancia, ya que los componentes no encajarán si el tamaño del orificio es demasiado grande.

Perforar orificios en un PCB no es una tarea fácil, ya que requiere una alta precisión y el cumplimiento de reglas de diseño específicas.

Taladro metalizado (PTH)

Tamaño del agujero terminado (mínimo) = 0.006 pulgadas

Tamaño del anillo anular (mínimo) = 0.004 pulgadas

Espaciado de borde a borde (desde cualquier otro elemento superficial) (mínimo) = 0.009 pulgadas

Taladro sin metalizar (NPTH)

Tamaño del agujero terminado (mínimo) = 0.006 pulgadas

Espaciado de borde a borde (desde cualquier otro elemento superficial) (mínimo) = 0.005 pulgadas

Peligros de Perforación en PCB

Tras el uso repetido, las herramientas de perforación son propensas al desgaste y la fractura, lo que lleva a los siguientes problemas:

Precisión afectada en la posición de los orificios

Cuando la broca no logra golpear el punto preferido y se mueve a lo largo del mismo eje, la precisión se ve afectada. La desviación en la perforación puede causar que los anillos de los orificios se intersequen o se fracturen.

Rugosidad en el interior de los orificios perforados

La rugosidad puede resultar en un plateado de cobre desigual, lo que lleva a la formación de poros y grietas en los conductos. La solución de plateado de cobre puede infiltrarse en las paredes del orificio, provocando una disminución en la resistencia aislante.

Manchas de resina

Debido al calor generado durante la perforación, la resina presente en la placa de circuito puede fundirse. La resina fundida se adhiere a las paredes del orificio, lo que provoca manchas de resina. Esto, a su vez, conduce a un deficiente plateado de cobre y a fallos de conductividad entre los orificios pasantes y las capas internas del circuito. Las manchas de resina se eliminan mediante soluciones químicas.

Presencia de rebabas en la entrada y salida

Las rebabas se refieren a la protrusión innecesaria de cobre de los orificios después de la perforación, que ocurre principalmente en las superficies superior e inferior de las placas de circuito impreso multicapa.

Encabalgamiento

Condiciones inadecuadas de perforación pueden hacer que el cobre de la capa interna se doble, lo que resulta en un plateado desigual y problemas de conductividad.

Delaminación

La separación parcial de las capas de la PCB se conoce como delaminación, y una perforación incorrecta puede provocarla.

Medidas Correctivas

Proceso de Eliminación de Residuos

Este es un proceso químico utilizado para eliminar la resina fundida depositada en las paredes de los agujeros. El proceso elimina la resina no deseada y mejora la conductividad a través del orificio pasante.

Proceso de Desbarbado

Este es un proceso mecánico que puede eliminar los extremos elevados (rebabas) del metal (cobre), conocidos como rebabas. Cualquier fragmento restante dentro del agujero se elimina mediante el proceso de desbarbado, seguido de un proceso de limpieza repetido.

Delaminación

Se puede evitar mediante el uso de perforación láser. Como se mencionó anteriormente, en la perforación láser, la pieza de trabajo y la herramienta no entran en contacto, lo que elimina la delaminación.

Técnicas de Perforación de PCB

Perforación de Agujeros Guía para una Perforación Adecuada:

El primer paso antes de realizar cualquier perforación es crear un agujero guía. Esto se hace para evitar que la broca se «desvíe», lo que significa que la broca comienza en una posición y luego se mueve en una dirección inesperada mientras perfora. El agujero guía se puede hacer de forma manual utilizando brocas pequeñas o de forma automática utilizando una herramienta llamada taladradora.

Si los agujeros guía se hacen utilizando una taladradora, las brocas se sacan una por una de la herramienta. El número de brocas utilizadas en este proceso depende del tamaño del PCB que se está perforando.

Por ejemplo, si se utiliza una broca de 0.2 milímetros, un agujero puede hacerse de cuatro. Este proceso generalmente deja una pequeña marca de metal en el PCB cuando se retira cada broca.

Utilizar Brocas de PCB Verticales para Perforar en Ángulo:

Perforar en ángulo requiere brocas especializadas de PCB, que generalmente se venden en conjuntos y vienen en diferentes tamaños. Los tamaños incluyen:

Brocas de Calibre de Alambre: Utilizadas para alambres con un grosor de 0.8 a 1 milímetro.

Brocas Pequeñas: Adecuadas para agujeros con un grosor o diámetro que varía de 0.7 a 2 milímetros, incluidas formas planas y redondas.

Brocas Medianas: Este tipo se utiliza para perforar agujeros con un grosor o diámetro que varía de 2 a 10 milímetros, generalmente incluyendo formas planas y redondas.

Brocas Grandes: Estas brocas se utilizan para agujeros de 5 milímetros o más grandes. Pueden ser planas o redondas, dependiendo del fabricante.

Utilizar brocas del tamaño correcto

Es fundamental asegurarse de utilizar brocas del tamaño adecuado para las PCB. Si la broca es demasiado grande, podría dañar los componentes dentro de la placa de circuito mientras se taladra. Por otro lado, si es demasiado pequeña, no permitirá que los cables atraviesen el agujero perforado.

Uso de Brocas con la Velocidad y Potencia Apropiadas

La potencia y velocidad de la broca determinan la eficiencia de perforación en metal. Las opciones más comunes son:

Brocas de alta velocidad: Este tipo de brocas puede perforar rápidamente y eficientemente el metal, pero su uso prolongado en una sola sesión puede causar problemas.

Brocas de acero de alta velocidad: Estos tipos de brocas se utilizan para perforaciones más grandes y son adecuadas para perforar múltiples PCB no muy gruesas.

Brocas enchapadas: Estas brocas se utilizan para la perforación de placas de circuito y procesos de enchapado, así como para perforar en placas gruesas o en combinación con un martillo neumático de alta frecuencia.

Utilizando una Taladradora

Una taladradora es la mejor opción para garantizar la perforación de agujeros más precisos. Su eficiencia de perforación es al menos cuatro veces mayor que la de los taladros portátiles, y suelen utilizar brocas estándar de la industria.

Conocer el funcionamiento de una máquina de taladrar

Las máquinas de taladrar varían según su coste y capacidad, pero todas funcionan aplicando la cantidad adecuada de presión para taladrar metal. Cuanta mayor sea la presión aplicada, más rápida será la velocidad de taladrado. Existen diferentes tipos de taladrado, como «taladrado cruzado,» «taladrado de inmersión,» «agujeros de ventilación» y «taladrado biselado.» El tipo de máquina de taladrar más común tiene un panel vertical (taladrando en una placa de metal con un cierto ángulo). Al usar este tipo, asegúrese de que la broca esté orientada hacia arriba y que el ángulo coincida con los agujeros en la PCB.

Utilizando una taladradora para perforar PCBs

Una taladradora puede utilizarse en cada etapa de perforación de PCB, especialmente cuando se requiere una perforación precisa. Aunque llevar a cabo la configuración de la taladradora requiere tiempo, su uso adecuado puede ofrecer excelentes resultados.

Ten cuidado al taladrar agujeros

Perforar agujeros en una placa de circuito impreso puede ser difícil sin las herramientas y materiales adecuados. Dedica tiempo y paciencia al taladrar, ya que hacerlo apresuradamente puede dañar la placa de circuito. Asegúrate siempre de que la velocidad de perforación no sea ni demasiado rápida ni demasiado lenta. También es esencial usar gafas de protección mientras taladras para proteger tu visión.

Limpieza de la PCB después de utilizar la broca

Una vez completada la perforación de la placa de circuito impreso, es necesario limpiar los agujeros utilizando un cepillo y un solvente. El solvente eliminará cualquier residuo de metal que pueda haberse generado durante el proceso de perforación en la PCB, garantizando que la placa de circuito impreso pueda utilizarse correctamente después de su finalización.

Aplicación de Soldadura a los Orificios Perforados

Después de completar el proceso de perforación del PCB, es necesario aplicar soldadura a los nuevos orificios y fundirla utilizando un soldador con una punta pequeña. Para asegurar una correcta adherencia de la soldadura, se debe pasar un cable por uno de los orificios y calentarlo. Esto evitará que la soldadura gotee fuera del orificio. Luego, presionarlo suavemente para garantizar una conexión segura.

Asegúrese de que no haya pequeños restos de escombros ni virutas en el PCB al perforar o ranurar con la broca adecuada. Si se encuentran virutas o escombros en la broca, esto puede causar problemas durante el proceso de perforación y generar resultados indeseables.

En cuanto a la perforación del PCB, si se realiza correctamente, se puede completar sin dañar las brocas. Sin embargo, si las piezas mecánicas entran en contacto con las brocas durante el funcionamiento de la máquina, esto puede dañarlas.

Técnicas de Verificación de Perforación DFM PCB:

La relación de aspecto debe mantenerse al mínimo para evitar el desgaste de la broca.
Cuantas más dimensiones de brocas se agreguen, más brocas deberá usar el fabricante. Por el contrario, reducir la variedad de tamaños de agujeros de perforación disminuirá el tiempo de perforación.
Confirma que has definido los tipos de agujeros de perforación (PTH/NPTH).
Verifica las ubicaciones/dimensiones de los agujeros de perforación entre el archivo de perforación y la impresión de la fábrica.
Los agujeros cerrados de menos de 0.006 pulgadas deben ser tratados.
Si las brocas de perforación y otras características en la capa de cobre están fuera del contorno de la placa de circuito, reduce el tamaño del agujero pasante metalizado (PTH) para cumplir con los requisitos mínimos de relación de aspecto (A/R).
Para agujeros pasantes metalizados (PTH) con tolerancias menores a +/- 0.002 pulgadas y para agujeros sin metalizar (NPTH) con tolerancias de +/- 0.001 pulgadas, muestra los arcos en el dibujo de fabricación para los agujeros de perforación (NPTH), ranuras o posiciones de muesca faltantes en el archivo de perforación.
Agrega soldadura a los agujeros de perforación.
Utiliza un taladro de precisión para perforar con precisión.
Limpia la PCB después de la perforación.

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