Con el significante Printed Circuit Board hacemos referencia a una de las piezas más vistas en el mundo de la electrónica, los paneles en los que va montada la circuitería de los diferentes componentes. Esto incluye el hardware de nuestros PC. Pero ¿cuáles son sus características y cómo se diseñan y se fabrican?
Los circuitos integrados, ya sean procesadores, memorias o combinaciones de los mismos vienen montados encima de un Printed Circuit Board, el cual tiene el aspecto de una placa donde, para quien no se fija en productos de hardware y electrónica de consumo, no deja de ser un simple soporte para colocar los chips. Pero son más que eso y una pieza fundamental en la construcción de los componentes de hardware de nuestros ordenadores.
Este componente es básico porque no solo será sobre el que instalemos todos los chips y demás elementos, sino que es el que dirige el flujo de información –en forma de energía– entre unos y otros y cuyos «caminos» podéis identificar por esa líneas que conectan ciertos puntos con otros. Esa lógica es parte del mérito de los fabricantes a la hora de diseñar sistemas eficientes capaces de llevar a cabo tareas de la manera más rápida y simple posible.
¿Qué es un Printed Circuit Board?
Cuando observamos cualquier placa base o tarjeta gráfica podemos ver como todos sus componentes están soldados y bien ordenados encima de una superficie, la cual llamamos Printed Circuit Board o también conocida por sus siglas: PCB. Su utilidad no es solo tener colocados los diferentes chips de procesamiento y memoria, sino incluir el cableado para la intercomunicación entre estos, el cual son las pistas que se pueden ver en la superficie del mismo.
Cuando se realiza el prototipaje lo que se hace muchas veces es utilizar esas placas donde los pines de cada chip van colocados a cada uno de los agujeros y se utilizan cables para interconectar dicho chip con el sustrato. A ese tipo de placas se las llama Breadboards y son ideales para crear prototipos de sistemas con los chips ya hechos, pero para el producto final no vas a querer un lío de cables, aparte de que vas a querer que todo quede en su sitio.
¿Y cómo funciona un Printed Circuit Board? Realmente no son más que una serie de pistas de cobre u otro elemento conductor de la electricidad combinado con capas de un material no conductor. Podemos tener varias capas de material no conductor y en cada una de ellas existir un grupo de pistas de cobre que se utilizan como cableado para comunicar los chips. Aunque estas no están a la vista y luego son muy difíciles de leer.
¿Hay algo que pueda llegar a reemplazarlos?
Es probable que nos estemos preguntando si existe alguna forma de poder llegar a interconectar los diversos componentes que tienen los diversos dispositivos de una forma que no haga falta utilizar un PCB, y la respuesta rápida es que obviamente es algo imposible. La única forma que existe actualmente de lograr interconectar los diversos chips que conforman una placa entre sí son los interposers, pero no son una solución que se use demasiado ya que no logran ofrecer todas las ventajas y características que tiene un PCB normal y corriente, evitando que se hayan convertido en un estándar.
El mayor problema que tuvieron los Printed Circuit Board está en que durante mucho tiempo no podían adaptarse a las diversas creaciones que se llevaban a cabo, por ejemplo una gran parte de los que se desarrollaban hace años debían tener un tamaño bastante grande para que pudiesen funcionar. Con la evolución tecnológica de los últimos años se han podido crear placas con circuitos mucho más pequeñas o grandes dependiendo para qué se utilice, algo que a su vez tiene que ver con la evolución de los chips.
Además de esto esto también debemos tener en cuenta que cada vez logran tener características físicas mucho más avanzadas, por ejemplo hay diversos proyectos que tratan de llevar a cabo una forma de eliminar la rigidez de algunas placas de este tipo para hacer que sean mucho más versátiles, como os comentaremos más adelante. En general los PCB han evolucionado para lograr ofrecer cada vez una cantidad de usos más grande, por lo que podríamos decir que es uno de los pilares que sostienen, literalmente, todos los avances actuales, por lo que obviamente tampoco se está estudiando la forma de reemplazarlos.
¿Cómo se fabrican?
Los Printed Circuit Board se pueden fabricar con una gran cantidad de sustancias diferentes, aunque la más utilizada es un compuesto llamada FR-4. El cual se compone de una combinación de fibra de vidrio y resina tipo epoxi, la cual destaca por sus capacidades ignífugas y es la parte no conductiva del PCB y, por tanto, la que no dejará pasar la electricidad, evitando así problemas en la señal.
El Printed Circuit Board además tiene una capa completa de cobre u otro material conductor entremedio de las dos capas FR-4 y se hace uso de agentes químicos para dejar al descubierto la parte del cobre que corresponde a las pistas. De cara a encajar los pines de diferentes chips y componentes electrónicos para su colocación, se hacen agujeros de un determinado diámetro que permitirán conectar los diferentes chips para un posterior soldado de cada una de las piezas. En el caso de que se utilice un socket será este el que se soldará de manera directa al Printed Circuit Board.
En el caso de los diseños con varias capas, cada una de ellas tiene que ser mucho más fina que un modelo con una sola capa y a medida que estas aumentan en número ha de disminuir su grosor. Para unirlas entre sí se suelen utilizar métodos térmicos, pero que tienen sus problemas, ya que hacen más sensibles la fabricación de placas base. De todos modos, hablamos de un trabajo de una extraordinaria precisión y donde el más mínimo fallo hace inservible toda la placa y el sistema que queremos montar alrededor de ella.
¿Cómo se diseñan?
Para diseñarlas a día de hoy se utilizan programas especializados por ordenador que nos permiten dibujar el PCB e incluso simular el funcionamiento de cada una de sus conexiones para comprobar que la señal se transmite de manera adecuada. Ejemplos de este tipo de aplicaciones son el Autodesk Eagle, Circuit Maker, etc. Eso sí, estamos hablando de un circuito que combina electrónica analógica y digital, por lo que diseñar uno requiere conocimientos de esta disciplina y saber llevarlos a la práctica con verdadero fundamento.
Una vez se ha visto que el circuito funciona en la simulación existen dos opciones antes de hacer realidad ese blueprint de la pantalla del ordenador:
- Por un lado puedes contratar a una empresa especializada en su construcción para que te fabrique unas cuantas versiones de tu diseño. Por lo que no hace falta que tengas el equipamiento necesario en casa para hacerlo y podrás utilizar tu tiempo en otras tareas o para tu tiempo libre, pero tendrás que esperar a tenerlas listas.
- La otra opción es crear tu propia PCB desde casa, tenemos un completo tutorial de ello por si estáis interesados y queréis saber como hacerlo.
Para los aficionados a la electrónica enfocada a la computación, el diseño y creación de los Printed Circuit Board es una parte más de su proceso de creación, ya sea para crear proyectos desde cero o incluso para restaurar un sistema antiguo en el que por mal estado de los componentes ya no funciona como es debido.
¿Merece la pena crear tus propios PCB?
Esto es una pregunta que algunos de los lectores os estaréis haciendo al leer este artículo y desde la perspectiva de quien escribe esto os diría que merece mucho la pena y es un trabajo introspectivo muy gratificante y es esencial si se busca restaurar sistemas antiguos. Es más, si creáis soluciones propias compuestas por una combinación FPGA, CPLD y demás componentes tanto a nivel aficionado como profesional, vais a necesitar vuestros propios Printed Circuit Board donde vais a diseñar el flujo de funcionamiento de todo el conjunto.
Desgraciadamente, a día de hoy muchos productos contemporáneos que hacen uso de Printed Circuit Board de múltiples pistas donde es casi imposible hacer ingeniería inversa a base de observar una de estas placas y crear una réplica, pero a la hora de restaurar sistemas antiguos o crear pequeñas mejoras para los mismos sí que es posible. Claro que no os servirá para restaurar elementos de hardware muy avanzados como las tarjetas gráficas actuales, ya que su montaje es llevado a cabo por maquinaria de muy alta precisión, creando pistas de una forma extremadamente compleja y haciendo uso de PCB de múltiples capas.
Por lo que al final depende de la aplicación que le vayas a dar a tu diseño, pero siempre le podrás dar salida comercial, ya sea con nuevas creaciones o volviendo a la vida sistemas antiguos. Sea como sea forma parte del proceso de creación del nuevo hardware.
¿Es posible crear un PCB que sea flexible?
Una de las grandes preguntas que mucha gente suele tener es sobre la posibilidad de crear un PCB que resulte flexible, y es que la rigidez que ofrecen este tipo de placas suele ser un problema en una gran cantidad de casos a la hora de querer desarrollar un dispositivo que necesite cierta flexibilidad. Y aunque parezca algo extraño, realmente es posible hacerlo, aunque obviamente tendrá una serie de elementos que no se podrán doblar ya que la propia estructura y los materiales de los que están creados hacen que sea prácticamente imposible aplicarle esta versatilidad.
Existe una forma de crear este tipo de placas con materiales flexibles, y es un uso que todavía no está demasiado extendido debido a que tan solo pueden utilizarse en modelos que tienen un rendimiento extremadamente bajos o que solo cumplen un tipo de función. Podemos tomar como ejemplo una creación denominada como Flexduino, que básicamente es un Arduino con un PCB flexible que permite doblarlo sin que se rompa, haciendo que sea mucho más versátil en diversas ocasiones de lo que es uno normal por las capacidades que ofrece en este aspecto.
Este tipo de uso no es demasiado común tal y como podemos imaginar, pero si que abre la posibilidad de tratar de desarrollar nuevos dispositivos que tienen otros objetivos muy distintos de lo que podemos tener actualmente gracias a la flexibilidad con la que cuenta. En general no es algo que vayamos a ver de normal ya que como bien hemos indicado anteriormente, muchas compañías desarrollan sus propios PCB con múltiples pistas para hacer frente a la necesidad que tienen los dispositivos actuales, pero para otros más simples como este Arduino es una solución bastante curiosa.
¿Son los interposers un tipo de PCB?
En la actualidad existen conjuntos de chips que en vez de ir montados sobre una placa se montan sobre otros chips usando conexiones en vertical a las que se les suele llamar TSV o vías a través del silicio y que se basan en conectar verticalmente los componentes con un chip mucho más grande que hace de base y se encarga de la intercomunicación entre estos.
Si nos ceñimos a la definición literal no se trata de un tipo de PCB, pese a que van chips montados en el mismo y los comunica, por el hecho de que no es una placa impresa, es más, los interposers normalmente van conectados sobre las mismas. Simplemente, se han hecho necesarias en ciertos modelos por el hecho de que es la única manera de conseguir llegar a cierta especificación a la hora de transmitir datos sin que la factura de la luz se vaya a la estratosfera.
Sin embargo, no solo se usan para casos extremos, en sistemas altamente integrados pueden usarse para ahorrar espacio y acabar teniendo una placa mucho más compacta en cuanto a tamaño. Por ejemplo, en un portátil para darle espacio para colocar una placa.
¿Las CPU de escritorio usan interposers?
Pues sí, mientras que los procesadores de un ordenador portátil van soldados a la placa de forma directa, los de sobremesa van soldados a un interposer que en el reverse trae todos los pines para comunicarse con el chip principal. En todo caso, esto se hace muy claro cuando vemos chips como los AMD Ryzen para escritorio, por ejemplo, donde este componente se hace más necesario y útil. Así que sí, los interposers son también parte esencial en muchos de los modelos de PC que se venden en las tiendas y que recurren a esta pequeña artimaña.
