Evaluación del desempeño de PCB's flexibles
Presentado por
Paul Sebastián Guzmán Castro
Asesor
Johann Faccelo Osma Cruz
Resumen Ejecutivo
OBJETIVOS
Objetivo General
Realizar estrategias de diseño que puedan ser aplicadas en la fabricación de una PCB flexible.
Objetivos Específicos
Identificar distintos métodos de fabricación de PCB’s flexibles
identificar las limitaciones de las PCB’s flexibles fabricadas.
Identificar aplicaciones para los PCB’s flexibles.
Desarrollo
Para el desarrollo de este proyecto fue necesario investigar y evaluar distintas alternativas de fabricación. Primero se divide el problema de la fabricación en 3 bloques. El primer bloque se encarga de plantear los tipos de sustratos que pueden ser utilizados, el segundo bloque se encarga de las metodologías por la cuales se puede colocar la capa conductora sobre el sustrato, el tercer bloque se ocupa de encontrar diferentes métodos que permitan fabricar los caminos conductores. En total son evaluados 11 métodos, 2 concernientes al primer bloque, 6 correspondientes al segundo bloque y 3 para el tercer método.
Ahora se procede a seleccionar los métodos que serán evaluados y desarrollados en este trabajo, para ello se realizó una evaluación de cada método tomando en cuenta los siguientes parámetros: Asequibilidad, Accesibilidad, Costo y nivel de complejidad. Finalizado éste proceso se descartaron 4 opciones correspondientes al segundo bloque. Los métodos escogidos son:
Sustratos: Papel y Pegamento Termofusible.
Capa conductora: Uso de tintes conductores basados en grafito, Placa de cobre adherida al sustrato.
Fabricación de pistas: Ataque químico húmedo, Estarcido, Serigrafía Con estas opciones se identifican dos ramas de desarrollo.
2
1. Utilizar papel como sustrato, tintes conductores basados en grafito como capa conductora y se evaluará el estarcido y la serigrafía para realizar el grabado de los diseños de la PCB.
2. Utilizar el pegamento termofusible como adherente y sustrato; una placa de cobre es utilizada como capa conductora. El método para realizar el grabado de las pistas es ataque químico húmedo.
Para validar la funcionalidad de las PCB’s fabricadas se realizan dos pruebas cruciales.
1. La primera prueba consiste en doblar el elemento fabricado y que este no sufra un daño crítico, se considera un daño crítico el desprendimiento de la capa conductora del sustrato, también es crítico si después del doblez la pista conductora se quiebra o genera una discontinuidad eléctrica.
2. La segunda prueba consiste en evaluar la repetitividad del proceso de fabricación, esto quiere decir que si el procedimiento se realiza varias veces se obtendrán resultados similares, con una variación mínima todas las veces.
Resultados
Finalizados los procesos de desarrollo y pruebas se determina que la primera rama de desarrollo no sirve para realizar PCB’s flexibles. Esta falla es causada por los tintes conductores basados en grafito ya que los tintes evaluados en este trabajo no son aptos para ser conductores, los tintes tienen una resistencia muy alta, y un comportamiento irregular, cada vez que se realizaba una prueba se obtenían resultados diferentes. Sin embargo a pesar de los resultados, no se descarta la técnica de serigrafía como un método aceptable para la fabricación de PCB’s felxibles.
Con la segunda rama de desarrollo se obtuvieron resultados satisfactorios, se logra fabricar una PCB flexible de una sola capa conductora. Esta metodología es atractiva ya que los elementos necesarios para su fabricación pueden ser adquiridos fácilmente y a bajo costo; también el método por el cual es realizado el grabado de los caminos conductores, es el mismo utilizado para la fabricación de PCB’s regulares, lo cual hace el proceso de fabricación más sencillo. Sin embargo éste método falló la prueba en la cual se intentaron soldar elementos electrónicos. A pesar de esto este método aún puede ser usado para la fabricación de antenas, sensores, electrodos o un prototipo rápido de alguna tecnología wearable.
A pesar de que solo una de las metodologías evaluadas pudo ser desarrollada satisfactoriamente se logró cumplir con los 3 objetivos específicos planteados. El desarrollo del objetivo general es parcial primero porque solo se logran identificar 2 estrategias de diseño concernientes a la rigidez de la PCB y a sugerencias para el ancho y largo de las pistas de cobre y segundo porque las estrategias identificadas están restringidas en este documento, para lograr que estas estrategias lleguen a un público mayor es necesario emitir un protocolo de fabricación.
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N° tesis: jcb
PROYECTO FIN DE CARRERA
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el título de
INGENIERO ELÉCTRICO (ELECTRÓNICO)
por
Paul Sebastián Guzmán Castro
Evaluación del desempeño de PCB's flexibles
Sustentado el día 30 de mayo de 2014 frente al jurado:
Composición del jurado
- Asesor: Johann Faccelo Osma Cruz, Profesor Asistente, Universidad de Los Andes
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4
Contenido
1 INTRODUCCIÓN ... 6
2 OBJETIVOS ... 6
2.1 Objetivo General ... 6
2.2 Objetivos Específicos ... 6
2.3 Alcance y productos finales ... 6
3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO ... 6
4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO ... 7
4.1 Marco Teórico ... 7
4.1.1 Grafito. ... 7
4.2 Marco Conceptual ... 7
4.2.1 Evaporación de metales en el vacío ... 7
4.2.2 Electrodeposición ... 8
4.2.3 Ancho y grosor de la pistas de cobre. ... 8
4.2.4 Estándares de diseño ... 8
4.2.5 Clasificación de las Boards ... 8
4.3 Marco Histórico ... 9
5 DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO ... 10
5.1 Definición ... 10
5.2 Especificaciones ... 10
5.2.1 Restricciones ... 11
6 METODOLOGÍA DEL TRABAJO ... 11
6.1 Plan de trabajo ... 14
6.2 Búsqueda de información ... 15
6.3 Alternativas de desarrollo ... 15
6.3.1 Sustratos ... 15
6.3.2 Aplicación de la capa conductora ... 16
7 TRABAJO REALIZADO ... 19
7.1 Metodologías ... 19
7.1.1 Tintes conductores sobre papel ... 19
7.1.2 Adhesión de sustrato con cobre ... 24
7.2 Descripción del Resultado Final ... 28
7.3 Trabajo computacional ... 28
8 VALIDACIÓN DEL TRABAJO ... 28
8.1 Metodología de prueba ... 28
8.1.1 Medición de resistencia. ... 28
8.1.2 Prueba de replicación... 29
8.1.3 Prueba de doblez ... 29
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5
8.2 Validación de los resultados del trabajo ... 30
8.2.1 Medición de resistencia. ... 30
8.2.2 Prueba de replicación... 31
8.2.3 Prueba doblez. ... 32
8.2.4 Montaje de elementos electrónicos superficiales. ... 33
8.3 Evaluación del plan de trabajo ... 34
9 DISCUSIÓN ... 34
10 CONCLUSIONES ... 35
11 AGRADECIMIENTOS ... 36
12 REFERENCIAS ... 37
13 ANEXOS ... 41
13.1 Tabla de Valoración Alternativas de desarrollo ... 41
13.2 Diseños de PCB’s usados. ... 42
13.3 Valores de resistencia medidos. ... 44
13.4 Funciones de distribución de probabilidad... 45
13.5 Código en matlab para despejar la ec 1.1 y tabla de resultados. ... 47 14 APENDICES ... ¡Error! Marcador no definido.
Evaluación del desempeño de PCB's flexibles
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1
INTRODUCCIÓN
En este proyecto de grado titulado “Evaluación del desempeño de PCB's flexibles” son evaluadas las posibilidades de fabricar PCB’s flexibles utilizando diferentes técnicas de fabricación. Las técnicas aquí evaluadas son realizadas con elementos de fácil adquisición y de bajo costo; los métodos desarrollados también hacen uso de los recursos y los equipos disponibles en el LIEE (laboratorio de ingeniería eléctrica y electrónica).
Para evaluar cada técnica de fabricación son realizadas pruebas sencillas. Estas pruebas buscan probar la capacidad de replicación que tiene cada método, es decir si es posible realizar varias veces el proceso de fabricación y obtener los mismos resultados. Así mismo se pretende evaluar si efectivamente el elemento fabricado puede ser doblado sin provocar daños al sustrato o a los caminos conductores. Finalmente también se evaluara si es posible realizar el montaje de elementos electrónicos sobre los elementos fabricados.
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OBJETIVOS
2.1
Objetivo GeneralRealizar estrategias de diseño que puedan ser aplicadas en la fabricación de una PCB flexible.
2.2
Objetivos Específicos Identificar distintos métodos de fabricación de PCB’s flexibles
identificar las limitaciones de las PCB’s flexibles fabricadas.
Identificar aplicaciones para los PCB’s flexibles.
2.3
Alcance y productos finalesSe entregarán protocolos para la fabricación de PCB’s flexibles por medio de uno o más métodos, junto con ciertas estrategias de diseño para el desarrollo de circuitos sobre las PCB’s fabricadas.
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DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
Según el Instituto de investigación de tecnología industrial de Taiwan (ITRI), se estima que para el año 2010 existían cerca de 1500 unidades de investigación trabajando en diferentes aspectos de la electrónica flexible. Realizando un análisis del mercado el ITRI estima que para el año 2017 las ganancias generadas por la electrónica flexible asciendan a los 30 billones de USD y que para el año 2028 estas ganancias asciendan a los 300 billones de USD[1].El ITRI también realiza observaciones acerca del tipo de desarrollos que se llevan a cabo en cada región; en Europa las investigaciones están enfocadas hacia los temas de materiales, procesos, sistemas y aplicaciones. En norte américa se enfocan en
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desarrollos que puedan ser aplicados a la industria militar y en Asia el desarrollo está dirigido hacia display’s flexibles [1].
En la electrónica flexible un campo con gran avance ha sido el desarrollo de la electrónica impresa, esta técnica permite fabricar componentes electrónicos (transistores, leds etc.) en los sustratos flexibles empleando métodos de manufactura de alta velocidad. Sin embargo el correcto funcionamiento de cualquier tipo de circuito integrado aún está en el futuro lejano. Es por esto que surge un interés en el desarrollo de la electrónica flexible hibrida; la cual consiste en tomar los elementos electrónicos disponibles ahora (rígidos) y ensamblarlos en sustratos flexibles, con esto se obtienen algunos de los beneficios de la electrónica flexible [2].
El interés en el desarrollo de la electrónica flexible es global, ya que esto permitiría fabricar elementos de bajo costo, más delgados y abriría la posibilidad de desarrollar la electrónica en nuevas geometrías; algunos de los elementos que la electrónica flexible permite fabricar son parlantes, sensores flexibles [3] y antenas [4]-[6].
Debido a las ventajas que puede ofrecer la electrónica flexible, como lo es la reducción del espacio ocupado y la oportunidad de fabricar sensores y antenas flexibles, se propone encontrar métodos y elementos de bajo costo que permitan la fabricación de éste tipo PCB’s.
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MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO
4.1
Marco Teórico4.1.1 Grafito.
Es una de las formas alotrópicas del elemento carbono, compuesto de capas de carbono organizadas hexagonalmente (capas de grafeno). Estas capas se organizan de forma paralela entre sí en un arreglo tridimensional [7]. Este elemento es conductor debido a su aromaticidad la cual permite el flujo de electrones a través del elemento.
4.2
Marco Conceptual4.2.1 Evaporación de metales en el vacío
La evaporación de metales en vacío es un proceso que permite depositar capas delgadas de metales sobre otros elementos. Para éste proceso se debe colocar en una cámara al vacío un filamento de tungsteno y a través de este inducir una corriente eléctrica, la cual elevara la temperatura del tungsteno. El metal que se desea evaporar debe ser colocado sobre el tungsteno para que por transferencia de calor este se caliente y se evapore. Con este método es posible depositar capas manométricas de metales sobre distintos (Ej. Vidrio).
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4.2.2 Electrodeposición
La electrodeposición es un proceso electroquímico en el cual permite realizar deposiciones de un metal sobre otro elemento. El proceso consta de 4 elementos uno de estos es el ánodo, el cual debe estar constituido por el metal que se desea depositar; el cátodo es el elemento al cual se desea realizar el recubrimiento; la solución electrolítica, esta solución debe estar compuesta por una sal del elemento a depositar junto con otros compuestos que mejoran el proceso; finalmente está el flujo de corriente eléctrica el cual debe ser aplicado para que el proceso pueda llevarse a cabo, la magnitud de la corriente y el tiempo de exposición al proceso depende de las dimensiones del elemento a recubrir. Por otra parte la modulación de corriente depende del control que se desee sobre el proceso [8].
4.2.3 Ancho y grosor de la pistas de cobre.
La IPC, es una asociación enfocada en la estandarización de los procesos de fabricación de circuitos impresos, ellos han desarrollado una ecuación que permite calcular la corriente que puede circular en una pista de cobre sin causar daños a las mismas. Los parámetros de dicha ecuación son: el ancho de la pista, el grosor de la pista, el máximo incremento en la temperatura (límites de operación) y un factor que dependerá de la ubicación de la pista externa o interna. La ecuación es mostrada a continuación [9].
1.1
Los parámetros deben tener las siguientes unidades: I=corriente en A; ∆T=maximo aumento de temperatura en °C; w=ancho de la pista en mils (milésima parte de una pulgada); t=grosor de la pista en mils y K=0.048 para pistas externas
4.2.4 Estándares de diseño
La IPC, se encarga de emitir gran variedad de estándares para el diseño y fabricación de los sistemas, estos estándares son emitidos en diferentes documentos e incluso son referenciados en algunos líbros [10]. De estos documentos se presta atención al capítulo 6 (Electrical Properties) de los documentos IPC-2221 e IPC-2221A, capítulos que contienen los estándares genéricos para el diseño de circuitos impresos [9].
La IPC también ha emitido un documento con estándares de diseño para circuitos flexibles (IPC-2223), en este documento se toman como guía, en especial los capítulos 1,6 y 10 [11].
4.2.5 Clasificación de las Boards flexibles
En el documento IPC-2223 emitido por la IPC se listan dos formas de clasificar las Boards flexibles. La primera categoría depende del tipo de Board, la clasificación se hace por tipos desde el 1 hasta el 5, el tipo depende del número de capas, de la
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existencia de through hole platinado y de la cantidad de capas flexibles y rígidas presentes (sólo aplicable a PCB’s multicapa)[11].
Tipo 1 :De una sola cara, con una sola capa conductora sin through hole Tipo 2 :Doble cara, con dos capas conductoras y con through hole
Tipo 3 :Múltiples capas (flexibles), con tres o más capas conductoras y throug hole
Tipo 4: Múltiples capas flexibles y rígidas combinadas, con tres o más capas conductoras y through hole.
Tipo 5: Dos o más capas (flexibles o rígidas-flexibles) con dos o más capas conductoras sin through hole.
El segundo tipo de clasificación se da por el uso dado a la PCB.
Uso A: capaz de soportar dobleces durante la instalación (flex-to-install)
Uso B: capaz de soportar pliegues continuos hasta ciertas repeticiones definidas. (dynamic flex)
Uso C: Uso a altas temperaturas, más de 105°C
Uso D: reconocimiento por parte de UL (compañía de seguridad científica)
4.3
Marco HistóricoExisten una gran cantidad de trabajos en torno al desarrollo de la electrónica flexible y la electrónica flexible híbrida. Estos trabajos se enfocan en la manufactura de los circuitos en sustratos flexibles y en pruebas de estrés.
En el trabajo titulado “Adhesiveless polyimide laminate substrates for Flexible Circuit Aplications” se busca evaluar el desempeño de los circuitos fabricados con técnicas que no utilizan adhesivos para fijar la capa conductora al sustrato flexible (polyimide), esto con el fin de reducir el tamaño y el peso de los dispositivos. Las pruebas realizadas en éste documento son de fatiga por el doblez [12].
En este estudio se destaca que los procesos de manufactura estándares pueden ser adaptados para la manufactura de PCB’s flexibles, sin embargo deben tener un cuidado adicional con los circuitos flexibles fabricados, para no dañarlos. En este estudio también se destaca la necesidad de aplicar una película de cromo antes de proceder a fijar el cobre en el sustrato, también se observa que tipo de pruebas que son realizadas [12].
En los siguientes trabajos se utiliza el papel como sustrato flexible, esto debido a que este material se encuentra en gran cantidad de elementos de la vida cotidiana; el costo de fabricación del papel es bajo, aproximadamente de 0.1 centavos por decímetro (10 centímetros), éste preciol es más barato que el PET cuyo costo es
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aproximadamente de 2 centavos por decímetro y mucho más barato que la polyimide 30 cent por decímetro [13]. También el papel es un elemento que es amigable con el medio ambiente [2].
En todos los trabajos consultados las pistas son hechas con metales, uno de los elementos más utilizados es la pintura de plata. Los métodos de recubrimiento varían entre deposición por evaporación, sputtering y la aplicación de pinturas por medio de aerógrafos, estarcido o por medio de la impresión por inyección.
En todos los trabajos en los que utilizan papel como sustrato se menciona que las propiedades porosas del papel presentan dificultades en la aplicación de los recubrimientos de la capa conductora [2] [13].En algunos se menciona que la poca resistencia del papel al oxígeno y la humedad es una desventaja, mientras que en otros trabajos se ve esto como una posible ventaja para algunas aplicaciones [13]-[15].
En los trabajos se menciona la importancia de encontrar métodos que puedan ser adaptados para la producción a gran escala [13]-[15], por ejemplo se emplean impresoras de inyección junto con tintas conductoras para la fabricación de PCB’s en [16].
Uno de los desafíos presentes en la fabricación de PCB’s yace en el montaje de elementos y la interconexión entre capas. [13]-[15]. Para el ensamblaje de los elementos electrónicos, utilizan diferentes pegamentos conductores y soldadura. [13]-[15]
5
DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO
5.1
DefiniciónLas técnicas para la fabricación de PCB’s flexibles, permitirán la fabricación de pistas conductoras sobre sustratos flexibles; empleando elementos de bajo costo y utilizando los recursos disponibles en la Facultad de Ingeniería eléctrica y electrónica. Una vez desarrolladas e implementadas las técnicas, los documentos en los cuales estarán indicados los procedimientos y pasos a seguir para la fabricación de PCB’s flexibles serán redactados.
5.2
Especificaciones Los materiales empleados para la fabricación tienen que ser de bajo costo
Los métodos propuestos en el siguiente trabajo tienen que poder ser desarrollados con las herramientas disponibles en el departamento de ingeniería eléctrica y electrónica.
Las PCB’s fabricadas tienen que poder clasificarse en el tipo de uso A o
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Se suministrara uno o más documentos con los pasos a seguir para la fabricación de las PCB’s.
5.2.1 Restricciones
Las PCB’s fabricadas serán de una sola capa conductora.
Las técnicas desarrolladas no incluye la fabricación de through hole No se garantiza que los métodos desarrollados sean extrapolables a
circuitos de más de una capa conductora.
6
METODOLOGÍA DEL TRABAJO
A continuación se encuentran distintos diagramas que ilustran de manera general la metodología de trabajo. Cada bloque representa una acción o procedimiento que debe realizarse.
Imagen 1. Esquema general del proyecto
La imagen 1 muestra que primero deben realizarse los procesos de identificación, evaluación y selección de técnicas de fabricación. Después de estas etapas es realizada una etapa de diseño de pruebas, vital para el desarrollo del proyecto ya que con estas pruebas se evaluara el desempeño de las dos técnicas a evaluar. Finalizadas estas etapas se puede continuar con el desarrollo de las técnicas clasificadas como: “Técnica adhesión entre capa conductora y sustrato” y “Técnica empleando tintes conductores sobre papel”. El proceso de cada uno de los bloques es mostrado a continuación.
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Imagen 2. Esquema de desarrollo del bloque “Técnica empleando tintes conductores sobre papel”
En la imagen 2 se observan los pasos seguidos para el desarrollo de la técnica que utiliza tintes conductores sobre papel. En su primera etapa son comparados los tintes conseguidos comercialmente contra los tintes fabricados. En la segunda etapa se procede a fabricar las PCB’s utilizando dos técnicas una de estas es por Serigrafía y otra por Estarcido, éstas dos técnicas de fabricación fueron escogidas en el proceso de evaluación y selección de técnicas de fabricación presentes en la imagen 1.
Imagen 3. Esquema de desarrollo del bloque “Técnica de adhesión entre capa conductora y sustrato”
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La imagen 3 ilustra el procedimiento seguido para el desarrollo de la técnica de Adhesión entre la capa conductora y sustrato.
En la imagen 4 está ilustrada la descripción detallada del bloque “Evaluación de la técnica de fabricación”, en éste bloque se observa que las primeras pruebas tienen una alta relevancia ya que de ser negativo el resultado de estas pruebas, la metodología evaluada es descartada inmediatamente, esto quiere decir que ya no se escatiman esfuerzos en realizar más pruebas con esta técnica de fabricación. En el diagrama también se observa que para las respuestas positivas se tiene una variable puntaje a la cual se le suma 1; el objetivo de ésta variable es permitir comparar el desempeño de las diferentes técnicas de fabricación. Para las dos últimas pruebas se tiene que para resultados negativos a la variable puntaje se le restará una unidad.
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Imagen 5. Diagrama que describe los criterios evaluados en el bloque “Pruebas de doblez”.
En la imagen 5 se describe el proceso desarrollado dentro del bloque “pruebas de doblez” el cual está contenido en el diagrama mostrado en la imagen 4. En éste diagrama se observa la idea general del tipo de pruebas que serán realizadas. El objetivo de las pruebas es: verificar que no haya desprendimiento entre el sustrato y la capa conductora, verificar que no existan detrimentos en el sustrato o en los caminos conductores, si hay elementos electrónicos instalados verificar que los elementos sigan soldados o adheridos a los caminos conductores.
6.1
Plan de trabajoEvaluación del desempeño de PCB's flexibles
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Con la estructura del trabajo planteada como se mostró anteriormente se decidió estructurar el proyecto como lo muestra la tabla 1. Las tareas son asignadas semanalmente ya que el carácter experimental del proyecto requiere de tiempo para evaluar los resultados parciales y totales, además se busca prever retrasos que se pueden presentar en el proyecto.
En la tabla1 se observa un asterisco al lado de la palabra proceso esto porque es necesario especificar que en éste caso se considera proceso al conjunto de acciones correspondientes a la fabricación de la PCB y a la realización de pruebas;
6.2
Búsqueda de informaciónLa búsqueda de información relacionada con la fabricación de las PCB’s flexibles fue obtenida a través de los recursos electrónicos ofrecidos por la Universidad de los Andes; Las fuentes consultadas fueron la bases de datos de la IEEE e IOP Science, los documentos que ayudaron al diseño de las pruebas fueron encontrados en la base de datos de la IEEE.
Para la documentación acerca de las estrategias de diseño para las PCB’s se consultaron libros de la biblioteca Ramón de Zubiría y los documentos con los estándares de fabricación emitidos por la IPC Association Conecting Electronic industries.
También la participación en el Seminario y en el grupo de Biomicrosistemas de la Universidad de los Andes [16] dirigido por el Dr. Johann Faccelo Osma Cruz, aporto de gran manera al desarrollo del proyecto, ya que a través de la interacción y el dialogo con las personas que participan de este seminario se logró replantear y desarrollar algunas de las ideas pensadas inicialmente para el proyecto.
6.3
Alternativas de desarrolloDebido a que uno de los objetivos de este trabajo es identificar diferentes técnicas de fabricación, hay varias alternativas de desarrollo. Se consideraron y evaluaron varias alternativas simultáneamente, ya que debido al carácter experimental del proyecto más de una alternativa puede no ser satisfactoria.
6.3.1 Sustratos
6.3.1.1 Papel (celulosa)
Este sustrato fue escogido ya que aparece en gran mayoría de los trabajos consultados [13]-[15].
Las ventajas identificadas son:
Bajo costo
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Es usado en gran cantidad de documentación Sus desventajas son:
Baja resistencia a efectos ambientales (humedad, oxidación)
6.3.1.2 Pegamento Termofusible
Este compuesto fue pensado ya que en la cotidianidad se observa que, las características flexibles de este elemento pueden ser útiles, además este elemento se adhiere fácilmente a distintas superficies cuando es calentado. Sus ventajas son:
Fácil adquisición
Es un adhesivo per se Las desventajas identificadas son:
Se pierde la integridad del componente a 120°C
6.3.2 Aplicación de la capa conductora
6.3.2.1 Electrodeposición [8]
Este proceso electroquímico es ampliamente usado para la deposición de capas de metal sobre diferentes elementos.
Ventajas:
Dispositivo disponible en el laboratorio sala limpia
Proceso con una complejidad media y se obtiene buenos resultados Las desventajas identificadas son: La deposición de cobre no se puede realizar sin la presencia de una capa conductora, las mejores capas son metálicas.
6.3.2.2 Evaporación de metales al vacío
Se llega este método ya que para lograr realizar una electrodeposición es necesario tener una capa conductora inicial, dicha primera capa es usualmente realizada a través de éste método.
Ventajas:
Permite depositar capas de un metal Las desventajas identificadas son:
Las capas depositadas son tan delgadas, que son muy delicadas ya que cualquier contacto con la superficie depositada puede eliminar el metal depositado
realizar el proceso es necesario tener un equipo especializado
El equipo disponible en el laboratorio sala limpia no estuvo disponible en el periodo de 2014-1 para su uso.
6.3.2.3 Uso de tintes conductores.
Este método es usado en gran variedad de los trabajos investigados, en donde el sustrato es papel.
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6.3.2.3.1 Pintura a base de grafito Ventajas:
Asequible
Se puede mezclar con varios solutos
Bajo costo Las desventajas identificadas son:
Este tipo de tintes puede presentar una resistencia alta
6.3.2.3.2 Pintura a base de polímero conductor
El polímero encontrado para la aplicación es Polyaniline-Poly(4-styrenesulfonate) y su proceso de fabricacion asi como su validación están enunciados en la referencia [17];
Las ventajas encontradas son:
Buena resistencia ambiental (humedad, oxidación) Las desventajas encontradas son:
El proceso de síntesis
Costo de fabricación
Obtención de los materiales
6.3.2.3.3 Pintura a base de plata [13]-[15]
Este tipo de tintes es comúnmente utilizado en los trabajos consultados. Sus ventajas son:
Tiene una conductividad alta
Ha mostrado los mejores resultados en la literatura Las desventajas son:
Costo
6.3.2.4 Lámina de cobre adherida al sustrato.
En ésta técnica se adhiere una lámina de cobre al sustrato. Sus ventajas son:
Es uno de los métodos tradicionales para la fabricación de PCB’s Las desventajas identificadas son:
La capa conductora y el sustrato pueden quedar desalineados
Impurezas en cualquier capa, conllevan falencias en la adhesión entre capas.
6.3.2.5 Fabricación de las pistas conductoras
Una de las partes fundamentales de las PCB’s es la fabricación de las pistas conductoras. Las opciones evaluadas se enuncian a continuación
6.3.2.5.1 Ataque químico húmedo
En este método el cobre no deseado es eliminado sumergiendo o rociando el elemento a tratar con cloruro férrico.
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Las ventajas de este proceso son:
Los equipos de este proceso están disponibles en el Laboratorio de Circuitos Impresos del departamento de ingeniería eléctrica y electrónica
Es el proceso estándar en la industria de fabricación de PCB
Las desventajas de este proceso son:
Algunos materiales pueden ser incompatibles con el proceso
Dificultades para adaptar los nuevos materiales al proceso existente
6.3.2.5.2 Serigrafía
Es una técnica de impresión en la que se transfiere una tinta a un material a través de una malla tensada colocada en un marco. Este proceso es utilizado ampliamente para transferir diseños de manera repetitiva.
Las ventajas de este procedimiento son:
Una vez fabricado el marco se pueden realizar múltiples repeticiones del diseño
Es un método sencillo
La resolución de las pistas en la máscara puede llegar a 0.3 mm
Una vez realizadas las máscaras estas se conservan por largo tiempo
Las desventajas de este proceso son
La resolución del proceso total depende de la viscosidad y de otras propiedades de la tinta.
6.3.2.5.3 Estarcido
En este proceso es utilizada una plantilla con un diseño recortado, sobre la cual es aplicada pintura, para así estampar el diseño en algún lugar; comúnmente utilizado para realizar graffiti.
Las ventajas de este método son.
Se puede realizar con cualquier material delgado como plantilla
Plasmar los diseños en la plantilla es sencillo Las desventajas de este proceso son:
La resolución de este proceso es limitada a la persona o máquina que realiza el corte.
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7
TRABAJO REALIZADO
Como fue descrito en el numeral 6 en la imagen 1 primero se realizó un proceso de identificación, evaluación y selección de técnicas de fabricación. Las técnicas identificadas fueron mostradas en el numeral 6.3 (alternativas de desarrollo), allí también se nombran algunas ventajas y desventajas que ayudaron a seleccionar los métodos, sin embargo se realizó una tabla de valoración, que tiene en cuenta los siguientes parámetros: Asequibilidad, Accesibilidad, Costo y Complejidad. Esta tabla junto a una breve explicación de ésta es colocada en el anexo 13.1.
Las técnicas descartadas fueron Evaporación de metales en el vacío, electrodeposición, pinturas a base de plata y pinturas a base de polímero conductor. Las técnicas que quedaron seleccionadas comienzan el proceso de desarrollo según las pautas dadas por las imágenes 1 a 5 y siguiendo el cronograma dispuesto en la tabla1. Cada una de las metodologías es descrita en el siguiente numeral (7.1). Cuando se han fabricado las PCB’s con las distintas metodologías se realiza la etapa de pruebas y evaluación de cada método realizado.
7.1
Metodologías7.1.1 Tintes conductores sobre papel
7.1.1.1 Pintura a base de grafito
Este tipo de pinturas pueden ser encontradas en el mercado colombiano, por lo que algunas de las pinturas disponibles fueron adquiridas para evaluar sus características (Imagen 6 A), dichas pinturas fueron adquiridas en la tienda electrónica: Electrónica China S.A.S [18]. Sin embargo también se opta por fabricar tintes con base de grafito.
Imagen 6. A) Imagen de tintes conductores adquiridos. B) imagen de los tintes fabricados.
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Para la fabricación se adquirió grafito mostrado en la imagen 7, no hubo ningún proveedor especifico ya que es un elemento que se puede encontrar en cualquier ferretería, también se adquieren diferentes tipos de pinturas (imagen 7) para mezclar con el grafito, vinilo acrílico (payasito) [19], pintura acrílica (PRODUART) [20] y pintura para cerámica y madera destellos artísticos (DORICOLOR S.A.) [21], todas estas pinturas se adquirieron en color negro sin ningún motivo en especial.
Imagen 6. A) grafito adquirido para la fabricación. B) imagen de las pinturas adquiridas para la fabricación.
Se toman 3 recipientes, uno para cada soluto, y se deposita en cada uno 3 gramos de grafito, después se aplican 5 ml (mililitros) de una pintura en un recipiente y se mezclan manualmente con la ayuda de un cilindro plástico, hasta que se observa un compuesto homogéneo con color plata oscura (Imagen 7).
Imagen 7.A)Recipiente con 3 gr de grafito B) Vertimiento de 5ml de pintura negra C) Mezcla antes del mezclado D) Resultado final.
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7.1.1.2 Serigrafía
Para poder realizar este proceso es necesario tener los siguientes elementos un marco entelado, en este caso se utilizaron marcos de 19cmX30cm y de 25cmX30cm con una tela de hilos 90 hilos y 43 hilos respectivamente, adquiridos de La Casa del Screen; una emulsión fotosensible, se empleó la emulsión del tipo diazo (La Casa del Screen); una bombilla incandescente de 150 W o más, en este caso una bombilla de 200 W; una racleta (elemento con un mango de madera y una tira de caucho); todos estos elementos están ilustrados en la imagen 8.
Imagen 8.A)Marcos entelados B) Emulsión fotosensible del tipo Diazo C) Bombilla incandescente de 200 W D) Racleta.
Al comienzo se debe imprimir el diseño que se desea estampar, para realizar el diseño puede utilizarse cualquier software que permita la manipulación de imágenes, en este caso se utilizó el software AUTOCAD 2014. Una vez terminado el diseño se imprime en papel acetato.
Imagen 9. Diseños impresos en papel acetato.
El proceso descrito a continuación debe ser llevado a cabo en un cuarto oscuro o en un lugar con poca luz, esto para que la emulsión fotosensible no reaccione.
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Inicialmente se prepara la emulsión Diazo, según las instrucciones incluidas en el producto. Posteriormente se aplica la emulsión sobre el marco entelado y se distribuye uniformemente sobre la tela, utilizando la racleta. Una vez terminado esto se deja secar la emulsión aproximadamente 20 min.
Cuando este seco se procede a colocar el diseño a estampar sobre la parte plana del marco, elementos B y C de la imagen 10. Después se expone a la luz, elemento A, como aparece en la imagen 10. Esta parte del proceso es crítica ya que si el diseño no está fijo sobre el marco o hay sobre exposición a la luz o sub exposición a luz. Se pueden obtener resultados defectuosos.
Imagen 10. Montaje para realizar la exposición.
Una vez expuesto a la luz el marco se procede a lavar el marco con agua, en este momento parte de la emulsión debe diluirse con el agua y dejar el diseño grabado en el marco entelado como en la imagen 11.
Imagen 11. Resultado final después del lavado
Finalmente se procede a estampar el diseño en el sustrato, para esto se siguen los pasos ilustrados en la imagen 12. Primero (imagen 12 A) se debe fijar el marco
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con el grabado sobre el sustrato, de manera firme para que a lo largo del proceso no desplace ninguno de los elementos ya que esto dañaría el proceso. Ahora (imagen 12 B) se aplica el tinte en el marco y con ayuda de la racleta se esparce el tinte (ovalo color negro) por el diseño en el sentido que indica la flecha en la imagen 12 B; se debe repasar con la racleta las veces que sean necesarias para que la totalidad del diseño quede estampado en el papel como se ilustra en la parte C. Finalmente se retira el marco de la hoja de papel, para ello se debe sujetar el papel y retirar el marco como se muestra en la parte D.
Imagen 12. Pasos a seguir para estampar el diseño en el papel con serigrafía Si el proceso fue hecho correctamente, siguiendo el ejemplo de la imagen 12, en la hoja de papel deberá quedar una imagen como se muestra en la imagen 13.
Imagen 13. Resultado esperado del proceso de serigrafía.
Para realizar más de una hoja estampada simplemente se repiten los pasos mencionados anteriormente. Si se observa que la tela tiene residuos de tintas o está sucia se procede a lavar con agua y dejar secar.
7.1.1.3 Estarcido
Para el estarcido es necesario realizar el diseño que se desea estampar, para esto se utilizó el software AUTOCAD 2014. Terminado el diseño se procede a realizar el corte en una hoja de acetato, el corte se puede hacer de tres formas manual o
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con una máquina de corte laser o con una cortadora plotter. Cuando el diseño ha sido cortado se procede a seguir el proceso descrito en la imagen 14.
Imagen 14. Pasos a seguir para estampar el diseño en el papel con serigrafía
Como se observa la imagen 13 y 14 son similares, la diferencia radica en que en ésta ocasión no se utiliza un marco, se utiliza el elemento en el cual se realizó el corte. El resultado esperado de este proceso será el mismo ilustrado en la imagen 13.
7.1.2 Adhesión de sustrato a una placa de cobre
Para lograr este proceso se utilizaron barras de pegamento termofusible con un diámetro de 1cm y placas de cobre de diferentes tamaños con un grosor de 0.3mm adquiridos de Panamericana Librería y Papelería S.A. los elementos son mostrados en la imagen 15.
Imagen 15. A) barras de pegamento termofusible utilizado. B) placas de cobre con espesor de 0.3 mm
Primero para aumentar la adherencia entre el sustrato y el cobre se lija la superficie del cobre que entrara en contacto con el pegamento, en éste trabajo se utilizó una papel de lija del número 80. Después de lijado el cobre es necesario limpiar la placa de cobre, ya que si hay suciedad u óxido la adherencia entre el sustrato y el cobre será deficiente. En la imagen 15 B) se puede observar en el
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segmento de la mitad una placa de cobre limpia, mientras que las placas ubicadas a los extremos de esta se encuentras sucias.
Para limpiar las placas de cobre se pueden emplear dos técnicas que tienen un buen desempeño. Una opción es realizar la limpieza con Ácido sulfúrico (H2SO4) y la otra es utilizar mezcla de zumo de limón y sal.
En la segunda opción es vital tener un recipiente con agua para sumergir la placa de cobre cuando se termine de limpiar, esto para evitar que el zumo de limón se seque sobre la placa y la oxide. Finalmente se procede a sacar la placa del agua y se seca rápidamente. (Imagen16)
Imagen 16. Resultado del proceso de limpieza y lijado.
El siguiente paso corresponde a adherir la placa de cobre con el pegamento, para lograr esto es necesario tener una superficie que caliente la placa de cobre a una temperatura mínima de 130°C; El equipo seleccionado para esta función es el hotplate disponible en el laboratorio de sala limpia.
Antes de comenzar el proceso se deben preparar los elementos de fabricación, Primero al hotplate le es colocada una hoja de aluminio para lograr una mejor distribución del calor (Imagen 17).
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Para que no exista el riesgo de derrame del pegante hacia el aluminio o hacia algún otro elemento, se coloca una caja en Origami de papel parafinado como se muestra en la Imagen 18 (el papel parafinad se puede encontrar en el papel no adhesivo del papel contact).
Imagen 18. A) Papel parafinado. B) Caja en origami.
Con la superficie del hotplate preparada, se enciende y se configura la temperatura a 130°C. Se esperan 5 min para que el elemento alcance la temperatura deseada. Ahora se coloca la placa de cobre con papel parafinado sobre el hotplate. A continuación se colocan las barras de pegamento sobre la placa de manera que se cubra 1/3 de la superficie, para acelerar el proceso se coloca papel aluminio sobre el arreglo de elementos (imagen 19 B). Se mantiene este arreglo por 20 min, se retira el papel aluminio de la parte superior y se observa la distribución del pegamento en la placa de cobre (Imagen 19 C),
Imagen 19. A) Disposición de las barras de silicona sobre la placa de cobre B) Arreglo con la segunda hoja de aluminio. C) Resultado después de 20 min.
Si hay partes que no han sido recubiertas (imagen 19 C) se cortan partes de una barra de pegamento para lograr cubrir los espacios vacíos, cuando se colocan en la placa se debe tener especial cuidado para no crear burbujas de aire entre el pegamento y el sustrato. Cuando los pedazos de pegamento colocados se hallan derretido y fusionado con el pegamento anteriormente aplicado. Se retira el papel parafinado con la placa de cobre del hotplate y se deja enfriar por 7min, después
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de éste tiempo se puede retirar la placa de cobre del papel parafinado. (Imagen 20)
Imagen 20.A)-B) placa totalmente recubierta de cobre. C)-D) resultado después del enfriamiento y de retirarlo del papel parafinado.
Con la placa y el sustrato listos se solicitó el servicio de fabricación de circuitos impresos del LIEE (laboratorio de ingeniería eléctrica y electrónica) [22]. En donde se realizó el proceso de ataque químico húmedo. En el laboratorio de fabricación de circuitos impresos se realizaron los siguientes procesos con los siguientes equipos:
Impresión de negativo con el equipo Filmstar Fotoploter de Bungard[23]
Laminación de la placa de circuito impreso con la película fotosensible empleando la Laminadora de film seco RLM 419p de Bungard [24]
Exposición UV de la placa con la insoladora doble cara con vacío Hellas de Bungard [25]
Ataque Químico Húmedo con el Splash Center XL de Bungard [26]
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7.2
Descripción del Resultado FinalEn la etapa inicial en la cual fueron evaluadas y seleccionadas las técnicas a desarrollar se implementó una tabla de valoración en la cual se tuvieron en cuenta los parámetros asequibilidad, accesibilidad, Costo, Complejidad. Explicados en la tabla del anexo 13.1.
Elegidas las técnicas que serán evaluadas, comienza la etapa de fabricación e implementación de las mismas. En el área de tintes conductores sobre papel se logran realizar 3 tintes de baja resistencia (imagen 6 B); con estos tintes se prueban las técnicas de fabricación correspondientes a serigrafía y estarcido.(imagen 25 A y B)
Con la técnica de adhesión entre la capa conductora y el sustrato se logran adherir exitosamente las dos capas y después de realizado el ataque químico húmedo se logran obtener PCB’s flexibles que pueden ser clasificadas en la categoría tipo 1 Uso A de la IPC, como en la imagen 21.
7.3
Trabajo computacionalEl ancho de las pistas fue determinado utilizando la ECUACION. El diseño de las PCB’s de prueba se realizó en dos programas.
KICAD EDA: software usado para la creación de esquemáticos electrónicos, diseño de PCB’s y creación de los archivos de fabricacion.
AUTOCAD 2014: Software usado para la creación de los diseños de los caminos conductores de las PCB’s.
MATLAB R2014a: software empleado para encontrar los anchos de las pistas de cobre empleando la ecuación 1.1. También utilizado para realizar las gráficas mostradas en éste trabajo y otros cálculos sencillos.
8
VALIDACIÓN DEL TRABAJO
8.1
Metodología de prueba8.1.1 Medición de resistencia.
En el caso de los tintes conductores fabricados se busca determinar: Si éstos son mejores a los tintes encontrados en el mercado colombiano, si las características que estos brindan son las adecuadas para la aplicación que se está evaluando y si este procedimiento puede ser replicado, de manera que se obtengan resultados similares. Para esto se realizó una prueba que permite evaluar los dos puntos anteriores.
Para ésta prueba se realizan 52 muestras de cada tinte fabricado, las muestras son aplicadas de manera que forman rectángulos con dimensiones de 5mm de ancho
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por 50mm de largo. Este procedimiento se realiza sobre papel bond. Después de aplicados los tintes se esperan 10 min a que se sequen. Una vez terminado el tiempo de espera se procede a realizar mediciones de resistencia sobre los tintes depositados, para esto se utiliza un multímetro digital UNI-T UT33C (Uni-Trend Group Limited).
Imagen 22. Ejemplo de la prueba de medición.
Con los datos obtenidos se procede a tabular y graficar los datos obtenidos. A partir de las gráficas se pueden evaluar si las características eléctricas de la tinta son adecuadas para la aplicación que se está evaluando y además se pueden comparar los distintos tipos de tintas. Debido a la pequeña cantidad que es suministrada en los tintes adquiridos solo se tomaron 12 muestras.
8.1.2 Prueba de replicación.
Esta prueba consiste en realizar un proceso de fabricación repetidas veces, si la prueba es positiva al repetir el proceso se obtienen resultados similares. (Ej. Valores de resistencia, calidad de la impresión), de ser negativa la prueba es porque no se pudo realizar el proceso o al realizarlo más de una vez se obtienen resultados diferentes.
8.1.3 Prueba de doblez
Para que una PCB sea flexible esta debe poderse doblar sin que exista un detrimento en el sustrato o en la capa conductora. Son considerados inaceptables para esta aplicación el desprendimiento de la capa o las pistas conductoras del sustrato; rupturas o quiebres en el sustrato o de la capa conductora.
Cuando hay elementos electrónicos montados en la PCB se considera inaceptable que: con un solo doblez los elementos electrónicos se desprendan o se suelten de los caminos conductores.
Para determinar si estos comportamientos están presentes en las PCB’S fabricadas se realizan pruebas con los diseños de PCB’s expuestas en el anexo 13.2. Los anchos de las pistas en las PCB’s fueron determinados utilizando la ecuación 1.1 con un ancho de cobre de 0.3 un aumento de temperatura de 10°C.
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Imagen 23. Forma en que debe ser realizado el doblez para la prueba.
En ésta prueba se toma la PCB fabricada y se dobla de manera que cubra la mitad de la circunferencia de un círculo de radio 2 cm como se muestra en la imagen 23. Después de esto se procede a revisar la PCB en busca de desprendimientos o rupturas de la capa conductora. Para cada PCB de prueba se realizaron 10 repeticiones, 5 repeticiones con la capa conductora en la parte interna del pliegue y 5 repeticiones con la capa conductora en la parte externa del pliegue
8.1.4 Montaje de elementos electrónicos superficiales.
En esta prueba se intentarán montar resistencias superficiales sobre el sustrato flexible sin que haya detrimentos en éste. Se utilizara un soldador eléctrico de 110 V 30W con una soldadura conformada por 60% estaño y 40% plomo.
8.2
Validación de los resultados del trabajo8.2.1 Medición de resistencia.
En esta prueba se obtuvieron las funciones de distribución de probabilidad (FDP) de cada tinte, mostrados en la imagen 24; los datos obtenidos se muestran en la tabla 4 del anexo 13.3.
Imagen 24. A) FDP del tinte hecho a base de acrílico. B) FDP del tinte hecho base del acrílico para cerámica y madera. C) FDP del tinte hecho a base de vinilo
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En la imagen 24 las probabilidades para las gráficas A) B) son del orden de mientras que las de la gráfica C) es del orden de . Las gráficas son mostradas en detalle en el anexo 13.4
Vinilo Acrílico
Acrílico para cerámica y
maderas
Tinta Conductiva electrónica
Tinta Restablecedora
Conductiva
[Ω] [Ω] [Ω] Promedio Promedio
1055 3633 4456 13740 26100
[Ω] [Ω] [Ω]
13647 2599 5824
Tabla2. Resultados de las pruebas con los valores de: media, promedio y desviación estándar.
En esta tabla se observa que la media de los tintes fabricados es menor al promedio de la resistencia medida para los tintes comerciales, también se observa que la desviación estándar para todos los tintes fabricados es alta.
8.2.2 Prueba de replicación.
Imagen 25. Resultados de las pruebas de replicación para A) Serigrafía. B) Estarcido. C) ataque químico húmedo.
En la imagen 25 se observa los resultados de los procesos de fabricación, en la imagen A se observa el resultado para el proceso de serigrafía. En este se evidencia la falta de continuidad en los caminos conductores, esta imagen fue tomada después de realizar 3 réplicas. En la imagen B se observa el resultado para el método de estarcido, el resultado es que por medio de este método no se pueden lograr caminos conductores adyacentes separados, este comportamiento se observa desde la primera replica que se realiza. Debido a esto se determina que los métodos de serigrafía y estarcido no son aptos para ésta aplicación.
Por último en la imagen C se observan 6 circuitos fabricados por medio de la adhesión de sustrato con capa conductora sometido a un ataque químico húmedo.
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En cuanto a la repetitividad de tintes conductores se puede realizar una conclusión con los datos de la tabla 2 y con las magnitudes de las probabilidades de las FDP. Primero se observa que la desviación estándar de los tintes es muy alta, por lo cual se concluye que entre diferentes muestras del mismo tamaño puede haber grandes variaciones en los valores de resistencia. Además los órdenes de magnitud de las probabilidades en el eje Y de las FDP muestran que la probabilidad de obtener resultados similares es muy poca. Por lo que se concluye que los tintes conductores tienen una pésima repetitividad.
8.2.3 Prueba doblez.
De acuerdo a lo establecido en el diagrama de la imagen 4 esta prueba es solo aplicada al método de adhesión del sustrato con la capa conductora, ya que los otros métodos fueron descartados. En la Imagen 26 se observan los fenómenos observados.
Imagen 26. Fenómenos observados después de realizar los pliegues.
El fenómeno A ocurre a la PCB con plano a tierra, cuando se realiza el doblez con la capa conductora en la parte interna. El doblez causa una deformación en la PCB, desde el primer doblez, la deformación se propaga a través de los lugares en donde no hay cobre.
El fenómeno B ocurre cuando se tienen unas pistas delgadas (0.3 mm) y una longitud de pista pequeña 40mm, el doblez ser realizo con la capa conductora en la parte externa. Este fenómeno causó el quiebre de las pistas junto con la separación de la capa conductora del sustrato, la evidencia de esto son las formas triangulares que se forman en las pistas.
El fenómeno C ocurre cuando se tienen pistas conductoras anchas (1.36mm-2.03 mm) y. Después de varios pliegues (5 en la misma dirección) la PCB comienza a deformarse y adopta una forma curva incluso cuando ya no se le está aplicando fuerza.
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8.2.4 Montaje de elementos electrónicos superficiales.
Imagen 27. Ilustraciones del proceso de soldadura. A) Metodología de soldadura. B) Rresultado del proceso. C) Prueba de Doblez. D) Resultado del proceso
En la imagen 27 se observan los resultados del proceso de soldado, en la imagen C y D se observa que se logran aplicar puntos de estaño sobre los pads de cobre. Incluso en la imagen C) se observa que se realiza una prueba de doblez. Sin embargo cuando se analiza de cerca la calidad de la soldadura se encuentran comportamientos como los ilustrados en la imagen 28.
Imagen 28. A) vista del plano de la PCB soldada. B) Acercamiento a las resistencias soldadas.
En la parte A de la imagen 28 se observa que las resistencias no son soldadas adecuadamente ya que quedan perpendiculares al sustrato. En la imagen B hay
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diferentes casos en uno de estos la resistencia no pudo ser soldada al pad, algunas quedan mal orientadas con respecto a la pista. Otras no realizan el contacto adecuado con la pista de cobre. Debido a la temperatura del cautín el sustrato se deforma, causando que las pistas o los elementos electrónicos cambien de posición o se adentren en el sustrato.
8.3
Evaluación del plan de trabajoCon respecto al plan descrito en las figuras 1 a 5 y la tabla 5 se considera que fue una buena distribución del trabajo ya que permitió dedicar un tiempo significativo a cada uno de los métodos a desarrollar, sin embargo a pesar de que en este plan de trabajo se intentó compensar los posibles contratiempos que se pudiesen presentar a lo largo del desarrollo del proyecto, se tuvieron retrasos en el desarrollo del proyecto. Como consecuencia de estos retrasos el tiempo asignado a la redacción del documento fue reducido a 1 semana y media.
9
DISCUSIÓN
En este trabajo se logró fabricar tres tintes basados en grafito de baja resistencia, sin embargo su desempeño en las pruebas realizadas indican que no es recomendable usarlos ya que tienen comportamientos variables y su resistencia es muy alta como para desempeñarse como una capa conductora. Para mejorar el desempeño de estos tintes se puede mejorar el proceso de deposición de tinte en el sustrato, con el fin de obtener un ancho y un grosor constante a lo largo del camino conductor. Por otra parte se puede evaluar el desempeño del tinte basado en grafito enunciado en la referencia [27].
Se lograron evaluar las técnicas de estarcido y serigrafía para la fabricación de circuitos impresos con los tintes fabricados. Sin embargo la técnica de serigrafía tuvo dos problemas uno en la fabricación del marco, debido a que la emulsión Diazo estaba vencida y no reaccionaba ante la exposición a la luz, para solucionar esto se solicitó el servicio prestado por La Casa del Screen S.A.S. de impresión en emulsión. El segundo problema consistió en los defectos en el proceso de impresión causados por el tinte empleado, éste era muy espeso además contenía material particulado (grafito) que se atascaba en la malla, y no podía ser lavado. Para evitar esto se deben utilizar tintes cuyos componentes no obstruyan la malla del marco por ejemplo los enunciados en [17][27]. La técnica de estarcido fue descartada principalmente por una razón, los cortes que podían ser realizados con los recursos disponibles tenían que tener un espaciamiento de 0.5 mm [28] para reevaluar esta técnica en la fabricación de PCB’s serán necesarios un nuevos tintes que no se derramen por los lados y causen contactos indeseados. Para mejorar la resolución de la técnica de estarcido se puede utilizar servicios de corte que permitan una mayor precisión. [29]
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Finalmente en este trabajo se logra fabricar una PCB flexible de una sola cara, con una sola capa conductora sin through hole. Capaz de soportar dobleces durante la instalación (flex-to-install).
Con las pruebas realizadas se concluye que emplear un cautín para soldar los elementos genera más inconvenientes que beneficios. Para futuros trabajos se sugiere evaluar el desempeño de pegamentos conductores.
Con la técnica de fabricación aquí desarrollada se podrán fabricar distintos tipos de PCB’s permitiendo a quien le interese continuar con la caracterización de este sustrato; se sugiere realizar mejores pruebas de fatigas por estrés mecánico y encontrar el número de dobleces límite para que ocurra una fractura en la capa conductora. También se sugiere realizar pruebas para determinar las propiedades eléctricas del sustrato.
Para evaluar el impacto que pueda tener esta técnica se pueden realizar y probar elementos que puedan utilizarse en distintas áreas de trabajo como: tecnología aeroespacial, automotriz, biomédica, comunicaciones, desarrollo de sensores [30], montajes de circuitos y fabricación de antenas flexibles [4]-[6].
Un problema que se presentó en la fabricación por el método de “adhesión de sustrato a una placa de cobre” fue el desprendimiento del sustrato y la capa conductora. Este fenómeno puede ser causado por una manipulación descuidada de la placa de cobre, la presencia de óxido e incluso cualquier abolladura o desnivel existente en la placa puede ser el causante de la baja adherencia entre las capas.
Sin embargo a pesar de considerarse como un defecto en principio, después de leer los trabajos de Silva. S [31] y Ascencio A. [32], poder desprender la capa conductora del sustrato puede ser atractivo para los procesos de fabricación de sensores (procesos físico-químicos, térmicos u otros) ya que en algunos casos el sustrato impone una restricción en los procedimientos de fabricación.
10
CONCLUSIONES
Los tintes basados en grafito desarrollados en este trabajo no son recomendables para desarrollar PCB’s, ya que tienen una resistencia alta y un comportamiento variable.
El método de serigrafía no fue compatible con los tintes aquí fabricados, sin embargo este método puede ser exitoso con otro tipo de tintes.[17][27]
El método de estarcido aquí evaluado no fue exitoso, ya que no se podía lograr fabricar caminos conductores adyacentes sin que estos terminaran en contacto. Una mejoría en la precisión del corte y un cambio de material pueden mejorar esta técnica (cambio a un material rígido)
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Con el pegamento termofusible fue posible fabricar una PCB flexible de una sola cara, con una sola capa conductora sin through hole.
El pegamento termofusible como sustrato para la fabricación de circuitos flexibles tubo el mejor desempeño y brindo los resultados más satisfactorios.
No es recomendable fabricar caminos conductores cortos (menos de 40mm) en un circuito flexible realizado con pegamento termofusible ya que estos aumentan la rigidez de la PCB.
La limpieza y manipulación del cobre en el proceso de fabricación es fundamental para la exitosa fabricación de los PCB’s
El método que tiene como sustrato pegamento termofusible es muy atractivo ya que, para realizar los caminos conductores se realiza el mismo proceso que se debe hacer para fabricar una PCB estándar en el laboratorio de fabricación de circuitos impresos.
No se recomienda fabricar pistas con un ancho menor a 0.6 mm ya que estas pueden no quedar fabricadas debido a la naturaleza del ataque químico..
Se recomienda hacer las pistas conductoras lo más largas posibles (60mm o más) ya que si se hacen muy cortas cuando se realiza un pliegue con la capa conductora en la parte externa las pistas pueden despegarse fácilmente.
11
AGRADECIMIENTOS
Gracias al Dr. Johann Faccelo Osma Cruz por toda la asesoría brindada en el desarrollo de este proyecto, ya que ésta me ayudo a desarrollar mejor mis aptitudes profesionales y personales. También agradezco a los participantes del seminario de biomicrosistemas del periodo 2014-1 quienes ayudaron a familiarizarme con los ambientes multidiciplinarios; a aquellos que por medio del dialogo y la discusión de ideas, ayudaron al desarrollo de este proyecto.
Agradezco la ayuda brindada por Alejandro Monroy Ocaciones técnico del laboratorio, sin su ingenio, recursividad y perseverancia no hubiese sido posible realizar exitosamente los ataques químicos realizados.
Finalmente a Sara Margarita Segura estudiante egresada de maestría de la Universidad de los Andes quien me introdujo en el área de dispositivos flexibles.
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REFERENCIAS
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