Impresión en 3D y diseño de PCB: las cosas buenas vienen en tríos

Hombre trabajando en una portátil y difuminándose

Los primeros aviones a reacción experimentales pasaban de la mesa de dibujo a las pruebas en túnel de viento y después prototipos reales a un ritmo acelerado. Durante la década de 1950, los diseñadores de aviones utilizaban reglas de cálculo y pizarras en lugar de cómputo informático y simulaciones virtuales. Cuando un piloto de pruebas se abrochaba el cinturón, quedaba atado a un prototipo sin probar. Algunos vuelos iban de maravilla y batían récords de velocidad y altitud, mientras que otros... no tanto.

Al igual que los vuelos experimentales, el diseño de prototipos para PCB ha cambiado mucho respecto a lo que había diez años atrás. Los prototipos han avanzado desde modelos de arcilla y piezas únicas hasta las actuales tecnologías de fabricación aditiva y sustractiva, que son capaces de hacer pruebas para la apariencia y alineación de piezas completas. Sin embargo, el proceso de producción de un prototipo de PCB aún requiere de fresado, taladrado, transferencia de película, chapado y grabado.

La elaboración de prototipos podría dar otro salto con la combinación del diseño de PCB y la impresión en 3D.

Las ventajas que brinda la Impresión en 3D se obtienen adoptando un enfoque integrado hacia los procesos mecánicos y los de diseño de PCB. Desde el punto de vista mecánico, es posible establecer los parámetros físicos en la tarjeta. Esta convergencia se vuelve posible con el desarrollo del diseño en software de CAD en 3D y la generación de un archivo STEP en 3D de la PCB.

Generación de prototipos e impresión en 3D de una PCB

Un modelo impreso en 3D de la PCB puede mostrar los puntos de anclaje para la tarjeta. A la vez, el equipo de diseño de la PCB puede evaluar la disposición física de los componentes. La capacidad de visualizar la PCB desde los ejes X, Y y Z permite apreciar cómo encajan las piezas en un recinto.

Además, el prototipo impreso en 3D puede indicar la alineación de los puntos de conexión con las piezas. Contar con un modelo en 3D de la PCB también ayuda a ajustar la disposición. Es posible ver la distancia entre las pistas y la complejidad de la disposición. Todo esto acelera el ciclo de desarrollo de la PCB al reducir el tiempo necesario para el diseño de la disposición y limitar los cambios a implementar sobre la tarjeta. El acelerar el desarrollo también disminuye el tiempo de comercialización para nuevos productos.

Impresión y fabricación en 3D

Los primeros aviones experimentales ahora solo existen en los museos. Siempre consideraremos leyendas y pioneros a los pilotos de aquellos aviones. Sin embargo, su trabajo y la introducción de los diversos diseños de fuselajes y de perfiles alares, métodos de control y rompedoras tecnologías de motores siguen influyendo en el diseño aeroespacial. Otro nivel de integración podría impulsar a las PCB impresas en 3D más allá de la etapa de prototipo.

La combinación de tecnologías mejoradas de 3 dimensiones, tales como la estereolitografía (SL) y el modelado por deposición fundida (FDM) tienen gran potencial para la fabricación de un sustrato dieléctrico y para la incrustación de conductores. Introducida en la década de 1990, la estereolitografía se basa en el escaneo de una resina líquida, sensible a la radiación UV, con un láser UV. A medida que el haz láser escanea la superficie, endurece selectivamente el material correspondiente a una sección transversal del producto y crea una pieza en 3 dimensiones, de abajo hacia arriba. La estereolitografía ofrece una calidad precisa para la superficie y una producción rápida.

Una impresora en 3D se puede usar creativamente en diversas etapas del proceso de desarrollo del producto.

Ampliamente utilizado en la impresión en 3D, el modelado por deposición fundida se basa en un cabezal de temperatura controlada que extruye un material termoplástico capa a capa. El FDM permite construir figuras geométricas complejas. En contraste con la estereolitografía, el FDM deja una superficie rugosa sobre los componentes impresos en 3D.

La combinación y mejora de esas tecnologías permite una impresión en 3D capaz de imprimir un sustrato con el grosor adecuado y con orificios para vías. Las tecnologías pueden usar la muy precisa impresión de tintas conductivas o cables para crear pistas entre los componentes. La tecnología de escritura láser directa (LDW) emplea un láser para micro fabricar el sustrato y crear patrones complejos de pistas, y después transferir material conductivo a los surcos, cuyo grosor es inferior al milímetro. Las tintas conductivas se transfieren de un surco a otro para formar caminos tridimensionales.

Como las tecnologías de escritura láser directa son capaces de depositar metales, dieléctricos, ferritas, polímeros, compuestos y materiales químicamente reactivos, la LDW también constituye un método rápido y económico para la fabricación digital de microelectrónica y otros dispositivos. La combinación de la LDW con otra tecnología llamada fabricación aditiva ultrasónica (UAM) refuerza aún más la capacidad de fabricar componentes electrónicos embebidos.

Las técnicas de fabricación aditiva ultrasónica (UAM) conectan secuencialmente láminas de metal capa por capa mediante la soldadura ultrasónica de metal. Después, el proceso emplea control numérico (CN) o láseres para eliminar el material. Este proceso de fabricación aditiva y sustractiva genera figuras geométricas de cualquier forma y brinda la posibilidad de adherir materiales diferentes térmica y mecánicamente. La UAM permite embeber circuitos dentro del metal protector.

Las técnicas de UAM le brindan más flexibilidad para sus diseños.

3D no solo es para imprimir. Pruebe las interfaces en 3D

La evaluación de prototipos también podría requerir nuevas versiones de software de diseño de PCB, que permitan visualizar la PCB en 3D. La capacidad de producir circuitos funcionales que incluyen tanto materiales conductivos como dieléctricos con tecnologías en 3D permiten a los equipos de diseño apreciar los errores en etapas tempranas del diseño, tomar decisiones más rápidamente y seleccionar la mejor solución de diseño.

El posicionamiento y enrutamiento de componentes que ocurre en el espacio tridimensional permite diseñar mucho más allá de simples circuitos. Esto acelera notablemente el ciclo de desarrollo. La capacidad de traducir la captación, simulación y prueba de reglas de diseño del esquema en una esfera tridimensional posibilita el producir circuitos complejos validados.

La capacidad de insertar circuitos integrados, sensores y dispositivos pasivos vuelve cada vez más próxima la impresión en 3D en dispositivos de consumo masivo plenamente funcionales. El uso de tintas de plata con impresoras en 3D favorece la capacidad de crear PCB multicapa en 3D. Las tecnologías altamente precisas son capaces de crear sustratos complejos y detallados con múltiples capas de componentes y pistas.

En un futuro, las técnicas integradas de impresión y pruebas en 3D permitirán a los diseñadores abordar el punto de vista mecánico del diseño de PCB y combinarlo con las simulaciones de circuitos para garantizar la funcionalidad. La flexibilidad que brinda la impresión en 3D permitirá a los fabricantes responder rápidamente a las cambiantes necesidades de los clientes.

Lo que un software de diseño de PCB con funcionalidades avanzadas y una interfaz intuitiva puede lograr para usted y sus diseños, es mantener abiertas sus opciones para desarrollarse junto con las capacidades cooperativas de la tecnología. Gracias a la comprobación robusta de reglas de diseño y un entorno tridimensional interactivo, sin duda obtendrá todo lo que necesita con Altium Designer.

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