¿Qué es el Diseño de Electrónica Impresa?

¿Qué es el diseño de electrónica impresa? La respuesta es simple: es diseño electrónico. Utilizas teorías de circuitos, cálculos matemáticos y simulaciones basadas en computadora para realizar el diseño electrónico. Diseñas la funcionalidad y el rendimiento eléctrico de un producto utilizando materiales de electrónica impresa. Los materiales son el punto clave, ya que los materiales utilizados para la electrónica impresa tienen características de rendimiento eléctrico diferentes a las utilizadas en las PCB tradicionales. Además, la electrónica se construye de diferentes maneras utilizando materiales de electrónica impresa. Es bien conocido cómo se realizan las trazas de PCB. Primero, un ingeniero electrónico lo diseña, define las dimensiones basadas en los requisitos eléctricos, y después de que el diseño está listo, se liberan los archivos de fabricación.

En la fabricación, la PCB se fabrica de acuerdo con los archivos de diseño copiando circuitos eléctricos en el cobre de una PCB, por ejemplo, exponiendo una película de fotorresistente sensible a UV a la luz UV. Luego, el cobre que no ha sido expuesto a la luz UV se elimina por grabado. El resultado es una traza, tal como se diseñó. Sus dimensiones son correctas y cumple con los requisitos eléctricos. En la electrónica impresa, necesitamos lograr los mismos resultados, pero con nuevas reglas de diseño, materiales y métodos de fabricación.

Las entradas y salidas del diseño de electrónica impresa son básicamente las mismas que en el diseño de PCB. El truco entre la entrada y la salida también es el mismo: diseño electrónico. Necesitas tomar información de materiales y reglas de diseño en tu proceso de diseño y la salida son archivos de fabricación. Las mismas leyes físicas son válidas en el diseño electrónico de PCB y electrónica impresa y estas establecen los límites de lo que se puede hacer. Dos circuitos, uno hecho por PCB y el otro hecho por electrónica impresa, pueden tener exactamente la misma funcionalidad, pero los diseños de los circuitos lucen y en realidad son diferentes. Esto se debe a las capacidades físicas y limitaciones del material utilizado en los circuitos eléctricos. En ambos circuitos, necesitas diferencias de voltaje aplicadas sobre la impedancia para obtener flujo de corriente. Para obtener el mismo flujo de corriente en ambos circuitos requiere ajustar las impedancias al mismo nivel o establecer niveles de voltaje específicos del circuito. Estos parámetros son los que típicamente necesitamos ajustar en el diseño de electrónica impresa. Buscamos soluciones óptimas mediante la afinación de impedancias y estableciendo los niveles de voltaje correctos.

En el diseño electrónico, es esencial conocer las características del material del producto final. En el caso de los PCBs, se conoce el grosor del cobre, la resistencia por unidad de superficie, sus propiedades térmicas, la constante dieléctrica del material del PCB, etc. Exactamente los mismos parámetros que necesitas conocer de la electrónica impresa. ¿Cuál es el grosor final del conductor de tinta de plata? ¿Cuál es su resistencia cuadrada? ¿Cuál es la constante dieléctrica del material del sustrato? Ejecutas el diseño electrónico para estos nuevos materiales. La ley de Ohm, las leyes de la teoría de circuitos de Kirchhoff y las ecuaciones de Maxwell también son aplicables en la electrónica impresa. Hay cientos de tintas conductoras diferentes en el mercado, cada una con una resistividad cuadrada única. Algunas tintas tienen alta conductividad (que típicamente es aún mucho más que el cobre puro), pero después de curarse no pueden elongarse en absoluto. Otras tintas pueden estirarse después de curarse, pero la conductividad es aún peor. En el diseño electrónico, es esencial entender cuál es la resistencia cuadrada de la tinta utilizada después del curado final.

Otro desafío de diseño es que los parámetros de los materiales utilizados en la electrónica impresa dependen del método de producción utilizado. La manera en que se imprimen las tintas conductoras, cómo se curan estas, cómo son otras tintas impresas debajo del conductor, como ejemplo, afectan la resistencia cuadrada final. Si cambias la producción, puede que necesites cambiar el diseño de tu disposición. O entonces, la producción debe ajustarse de acuerdo con los requisitos del circuito eléctrico de tu diseño. Es extremadamente importante que sepas cómo es la fabricación de la electrónica impresa. Esto no hace ninguna diferencia en las PCBs, necesitas saber cómo se construyen y cuáles son las limitaciones de esta producción en particular, pero en las PCBs, los métodos de fabricación son más estandarizados y cada fabricación es básicamente similar con ligeras diferencias de capacidad. En la electrónica impresa, aún no estamos en este nivel.

Las tintas conductoras pueden imprimirse mediante varios métodos. Los métodos más utilizados son la serigrafía y la impresión por inyección de tinta, y buscando en Google puedes encontrar muchos otros también. Lo fundamental en relación con el proceso de impresión es comprender las capacidades de fabricación y sus limitaciones. ¿Cuál es la separación mínima que necesitas tener entre pistas? ¿Cuántas capas conductoras puedes usar? ¿Cuáles son los anchos mínimos y máximos para las pistas? Familiarízate con las reglas de diseño de la producción que vas a utilizar y verifica el diseño contra estas reglas de diseño. Bastantes reglas de diseño disponibles en herramientas de diseño de PCB pueden usarse como tal en el diseño de electrónica impresa con definiciones de reglas correctas. Si la fabricación incluye reglas de diseño que no son compatibles con la herramienta de diseño electrónico, significa que debes realizar una verificación manual de las reglas de diseño. Por ejemplo, si puedes usar múltiples capas conductoras que están aisladas por dieléctricos impresos, significa que tienes exactamente la misma regla de diseño entre las pistas de la 1.ª y 2.ª capa conductora que las pistas impresas en la misma capa. Y esto no es compatible con las herramientas estándar de diseño de PCB.

Además, la electrónica impresa necesita componentes para obtener funcionalidad y el ensamblaje de componentes en un circuito de electrónica impresa no es un proceso de soldadura estándar. Los materiales típicos utilizados en la electrónica impresa son plásticos, lo que significa que sus características térmicas son diferentes en comparación con los PCB o FPC. Esto también implica que los materiales adhesivos son diferentes. Las soldaduras de baja temperatura, los pegamentos conductivos u otros materiales adhesivos son típicos para la SMA de electrónica impresa y estos pueden requerir un footprint especial para los componentes. ¿Puedes poner trazas debajo de los componentes? ¿Necesitas áreas especiales de exclusión? ¿Qué tipo de componentes puedes colocar en la electrónica impresa? Estas son preguntas que se deben considerar desde una perspectiva diferente en comparación con la SMA de los PCBs. Además de esto, los archivos de fabricación para el ensamblaje de montaje superficial pueden ser diferentes. ¿Puedes usar un archivo de plantilla de pasta o deberías proporcionar un mapa de dispensación de pegamento en su lugar? Verifica de antemano lo que requiere la SMA.

Dado que la electrónica impresa es un área tecnológica bastante nueva, la información sobre las características de los materiales y los métodos de fabricación no está disponible en la misma escala que para las PCBs. Además de esto, existe una enorme cantidad de tintas conductoras impresas que tienen diferentes características eléctricas, y depende del equipo y los métodos de fabricación cómo sean las características en la parte final. El diseño depende de implementar teorías de electrónica para nuevos materiales y métodos de fabricación. Para mí, el diseño electrónico significa utilizar teorías, física y matemáticas asegurando la funcionalidad eléctrica y el rendimiento. Estos métodos necesitan conocimiento de los materiales como entrada. He visto en la electrónica impresa que hay falta de información de materiales y a veces se tomaron decisiones sin cálculos detrás de ello. Entonces no es diseño, sino que es adivinar. Y esto entonces no es diseño electrónico.

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