INDICE
4.1 PROCESOS DE FABRICACIÓN FABRICACIÓN DE CIRCUITOS IMPRESOS E INTEGRADOS------------------------INTEGRADOS---------------------------------------------- 4
4.1.1 MÉTODO FOTOGRÁFICO------------------------------------------------- 4
4.1.2 MÉTODO SERIGRÁFICO-------------------------------------------------- 13
4.1.3 MÉTODO DIRECTO--------------------------------------------------------- 19
4.2 GENERALIDADES EN LA FABRICACIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS (MONOLÍTICOS Y PELICULARES)--------------------------------------------- 21
4.3 PROCESO DE FABRICACIÓN DE CERÁMICOS--------------------------------------------------------------------- 29
4.3.1 PROCESO DE FABRICCION DE CERÁMICA PIEZOELÉCTRICA--------------------------------------------- 30
4.3.2 PROCESO DE FABRICACIÓN DE CERÁMICA FERROELECTRICA------------------------------------------- 34
4.4 DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES M ATERIALES EMPLEADOS EN LA INGENIERÍA--------------------------------------------- 38
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4.1 PROCESOS DE FABRICACIÓN DE CIRCUITOS IMPRESOS E INTEGRADOS INTEGRADOS Métodos para la elaboración de pcb´s Con el surgimiento de la era electrónica y la simplificaci ón de todo circuito eléctrico en componentes más pequeños y mayoritariamente funcionales para lo que fuesen gastos en si se produjeron o mejor dicho surgieron métodos para encapsular todos esos microcomponentes en un único lugar un circuito súper conductor que ocupara espacios reducidos; los circuitos se llevaron a las llamadas placas fenolicas las cuales poseen o mejor dicho constan de una fina laminilla de cobre debajo de la cual se encuentra una base de litio para separar a los componentes de la laminilla de cobre. Todo circuito lógico debe de tener un camino por el cual se debe de guiar la corriente eléctrica, debe de tener un sentido y una orientación, que depende de la función a realizar; existen varios métodos para crear las rutas de conexión del circuito en si eliminando partes de la laminilla de cobre, los tres más conocidos se describirán a continuación:
4.1.1 MÉTODO FOTOGRÁFICO Proceso a)
Crear el original sobre papel:
Lo primero que hay que hacer es, sobre un papel, dibujar el diseño original del circuito impreso tal como queremos que quede terminado. Para ello podemos utilizar o bien una regla y lápiz (y mucha paciencia) o bien un programa de diseño de circuitos impresos. Ya sea a lápiz o por computadora siempre hay que tener a mano los componentes electrónicos a montar sobre el circuito para poder ver el espacio físico que requieren así como la distancia entre cada uno de sus terminales. Para guiarnos vamos a realizar un simple circuito impreso para montar sobre él ocho diodos LED con sus respectivas resistencias limitadoras de corriente.
Este es el circuito esquemático del que hablamos, recibe cero o cinco voltios por cada uno de los pines del puerto paralelo del PC y, a través de cada resistencia limitadora de corriente iluminan ocho diodos LED. Observemos el diagrama. Tenemos ocho entradas, cada una de ellas conectada a una resistencia. Cada resistencia se conecta al cátodo (+) de cada diodo LED. Y todos los ánodos (-) de los diodos LED se conectan juntos al terminal de Masa. Vamos a utilizar diodos LED redondos de 5mm de diámetro, que son los más comunes en el mercado. Lo primero que haremos es colocar las islas. Para los que usan programas de diseño de circuitos impresos por computadora las islas aparecen como "Pads".
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Como se observa, no es más que una simple representación del circuito de arriba con círculos. Luego uniremos las islas con pistas, que en los programas suelen aparecer como "Tracks".
INCORRECTO
CORRECTO
Algo a tener en cuenta: cuando una pista tiene que virar lo correcto es hacerlo con un ángulo oblicuo y no a secas (90º). Si bien eléctricamente es lo mismo, conviene hacerlo así porque al momento de atacar el cobre con el ácido es mas probable que una pista se corte si su ángulo es abrupto que si lo es suave. Nuevamente podemos apreciar que no es más que una copia del circuito eléctrico anterior. Imprimimos el circuito sobre un papel y paso 1 concluido. b) Corte del trozo de circuito impreso: Esto no es más que marcar sobre la placa virgen un par de líneas por donde con una sierra de 24 dientes por pulgada cortaremos.
Es conveniente hacerlo sobre un banco inclinado de corte para que sea mas fácil mantener la rectitud de la línea.
Una vez cortado el trozo a utilizar lijar los bordes tanto de la cara de cobre como de la otra a fin de quitar las rebabas producidas por el corte. Con la ayuda de un taco de madera es mas fácil de aplicar la lija. c)
Preparar la superficie del cobre:
Consiste en pulir la superficie de cobre virgen con un bollito de lana de acero (Virulana, en Argentina) para remover cualquier mancha, partículas de grasa o cualquier otra cosa que pueda afectar el funcionamiento del ácido. Recordemos que el ácido solo ataca metal, no haciéndolo con pintura, plástico o manchas de grasa. Por lo que donde este sucio el cobre resistirá y quedará sin atacar.
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Como se ve en la foto es conveniente utilizar guantes de latex, del tipo utilizado para inspección bucal, para evitar que la grasitud de los dedos tome contacto con el cobre. La lana de acero debe ser frotada sobre la cara de cobre y preferentemente dando círculos, para facilitar la adherencia tanto de los Pads como de la tinta del marcador. d) Pasar el dibujo al cobre: Consiste en hacer que el dibujo del impreso que tenemos sobre el papel quede sobre la cara de cobre y de alguna forma indeleble. Adicionalmente tendremos que tener cuidado de no tocar con nuestros dedos el cobre para evitar engrasarlo. Es por ello que en este paso también utilizaremos guantes de látex, pero cuidando que no queden en ellos restos de viruta de acero que puedan dañar el dibujo sobre el cobre.
Para este paso requeriremos un marcador fino indeleble, uno grueso, un lápiz blando (mina B), una o varias plantillas Logotyp de islas (esto depende de la cantidad de contactos del circuito así como del tipo de islas requeridas). Ambos marcadores deben ser de tinta permanente al solvente. Hasta ahora el mejor que hemos usado es el edding 3000. Es conveniente, antes de usar las plantillas Logotyp, probarlas sobre otra superficie para constatar que no esté vencido. A nosotros nos paso que con la que arriba se ve a la izquierda (la de las líneas) no pegaba sobre el cobre y tuvimos que hacer todos los trazos rectos con marcador y regla. Lo mismo sucede con el marcador. Antes de aplicarlo sobre la placa hacer un par de trazos sobre un cartón (preferentemente brilloso) a fin de ablandar la tinta en la punta. Para aplicar los dibujos de las plantillas colocar la misma sobre la lámina de cobre y, con el lápiz frotar cada uno suavemente hasta que queden estampados sobre el circuito i mpreso. O en su caso, colocar la hoja impresa sobre la placa, y plancharlo suavemente para que la tinta se impregne sobre el cobre.
Para afirmarlos colocar el papel de cera que trae cada plantilla y colocarlo sobre el dibujo recién aplicado. Pasar el dedo una o dos veces manteniendo el papel quieto y listo, dibujo afirmado.
Si por error se aplico un dibujo que no debía estar se lo puede quitar fácilmente raspándolo con un cortante filoso. No hay que preocuparse porque donde se paso el cortante quede raspado, puesto que el cobre no quedará en esa zona no nos interesa entonces como este antes de ser atacado. En las islas, sobre todo en las aplicadas por plantilla, es conveniente no tapar el punto central. Esto quedará como un pequeño orificio en el cobre que luego servirá como guía cuando hagamos el perforado de la placa. Para hacer los trazos con marcador se pueden utilizar reglas y regletas plásticas caladas como las pizzini. Prestar cuidado cuando se apoya la regla sobre la placa para no dañar el dibujo. Una vez terminado el trabajo de pasar el dibujo al cobre será conveniente revisar el mismo a comparación con el dibujo sobre papel, para cerciorarse de que todo está en orden.
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e)
Preparar el ácido:
Antes de sumergir la placa en el ácido hay que tomar algunos recaudos y precauciones. También hay q ue seguir algunos pasos para que el ataque sea efectivo. Como dijimos arriba, el ácido empleado es Percloruro de Hierro, el cual se puede comprar en cualquier comercio del rubro. Para que el ácido funcione correctamente y pueda actuar sobre el cobre debe estar a una temperatura comprendida entre 20 y 50 grados centígrados. Para mantenerlo en ese rango usaremos un calefactor eléctrico a resistencia, como el que se ve abajo.
Cabe aclarar que al ser una resistencia de alambre esta se encuentra "viva" con tensión de red en su recorrido, lo que obliga a separar al calefactor del fuentón al menos un centímetro. Para ello utilizamos dos ladrillos acostados los que se ven en la foto de arriba. Sobre esto se coloca el fuentón de aluminio, dentro del cual se colocará la batea plástica donde verteremos el ácido. En el fuentón colocar agua previamente calentada para que el ácido se caliente por el efecto "Baño María". Entre el fuentón y la batea es conveniente colocar dos separadores para que el metal caliente no entre en contacto directo con la batea plástica.
En la foto de arriba se observa cómo queda todo en su sitio listo para utilizar. Es muy importante respetar el rango de temperatura de trabajo. De ser inferior a 20ºC es posible que el ácido tarde mucho o que incluso no ataque el cobre. De estar a más de 50ºC el ácido puede entrar en hervor provocando que moléculas de cloruro se desprendan del compuesto. De ser respiradas pueden causar fuertes afecciones respiratorias e incluso dejar internado al que lo inhale. El sitio donde se vaya a usar el compuesto deberá estar completamente ventilado, de ser posible con aire forzado constante. Aclaraciones pertinentes: Si el ácido toma contacto con la ropa la mancha es permanente. No se quita con nada. Si entra en contacto con la piel, lavar con abundante agua y jabón. Si entra en contacto con la vista lavar con solución ocular y acudir de inmediato a un servicio de urgencia ocular. De no tratarse adecuadamente una herida por este ácido puede causar ulceraciones en el globo ocular. Ante ingesta concurrir de inmediato a un gastroenterólogo. En ambos casos explicar detalladamente al profesional de que se trata el ácido para que éste pueda actuar como corresponda f)
Ataque químico:
Una vez que el ácido esta en temperatura colocamos la placa de circuito impreso flotando, con la cara de cobre hacia abajo y lo dejamos así durante 15 minutos.
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Ahí lo dejamos tranquilo y de no ser estrictamente necesario nos vamos a otra parte para evitar respirar tan feo tóxico. Al cabo de los 15 minutos, con un guante de látex, levantamos la placa de circuito impreso y observamos cómo va todo. Si es necesario sumergir la placa en agua para observar en detalle es posible hacerlo, pero no frotar ni tocar con los dedos el dibujo para evitar dañarlo. Si el cobre que debía irse aún permanece colocar la placa al ácido otros 10 minutos más y repetir inmersiones de 10 minutos hasta que el circuito impreso quede completo. Si en alguna de las observaciones se nota que una pista corre peligro de cortarse secar cuidadosamente solo en esa zona y aplicar marcador para protegerla de la acción oxidante del ácido. Una forma práctica de ver si el ácido comenzó a "comer" el cobre es iluminando la batea desde arriba con un potente reflector. Si se ve la silueta de las pistas marcada es clara señal de buen funcionamiento. Si se ve todo opaco quiere decir que aún no comenzó el ataque químico. Una vez que el ácido atacó todas las partes no deseadas del cobre sacar de la batea, colocarla en un recipiente lleno de agua, llevarla hasta la pileta de lavar más próxima y dejarla bajo agua corriente durante 10 minutos. Luego, secar con papel para cocina y quitar el marcador con solvente. De ser necesario pulir suavemente con viruta de acero.
Una vez hecho esto tendremos las pistas ya definidas sobre el impreso. g)
Prueba de continuidad:
Con un probador de continuidad verificar que todas las pistas lleguen enteras de una isla a otra. En caso de haber una pista cortada estañarla desde donde se interrumpe hasta el otro lado y colocar sobre ella un fino alambre telefónico. De ser una pista ancha de potencia colocar alambre más grueso o varios uno junto a otro. Si no se tiene un probador de continuidad una batería de 9V con un zumbador auto-oscilado en serie y un juego de puntas para que puedan ser de gran ayuda. Colocar todo en serie de manera que, al juntar las puntas, se accione el zumbador. Comprobado el correcto funcionamiento eléctrico de la plaqueta es hora de pasar al perforado. h) Perforado: Para que los componentes puedan ser soldados se deben hacer orificios en las islas por donde el terminal de componente pasará.
Un taladro de banco es de gran ayuda sobre todo para cuando son varios agujeros. Para los orificios de resistencias comunes, capacitores y semiconductores de baja potencia se debe usar una mecha (broca) de 0.75mm de espesor. Para orificios de bornes o donde se suelden espadines o pines una de 1mm es adecuada. Aquí será de suma utilidad atinarle al orificio central de la isla para que quede la hilera de perforaciones lo mas pareja que sea posible.
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Quizás sea necesario comprar un adaptador dado que la mayoría de los taladros de banco tienen un mandril que toma mechas desde 1.5mm en adelante. Y luego vendrá el dolor de cabeza porque centrar el adaptador y el mandril no es tarea simple. Hay que prestar atención a que este bien centrado, porque de no estarlo el agujero saldrá de cualquier forma, si es que sale. i)
Acabado final:
Con el mismo bollito de viruta de acero que veníamos trabajando hay que quitar las rebabas de todas las perforaciones para que quede bien lisa la superficie de soldado y la cara de componentes. Luego de esto comprobar por última vez la continuidad eléctrica de las pistas y reparar lo que sea necesario. Hasta aquí hemos llegado y tenemos ahora si la plaqueta lista para soldarle los componentes. Siempre hay que seguir la regla de oro, montar primero los componentes de menor espesor, comenzando si los hay por los puentes de alambre. Luego le siguen los diodos, resistencias, pequeños capacitores, transistores, pines de conexión y zócalos de circuitos integrados. Siempre es bien visto montar zócalos para los circuitos integrados puesto que luego, cuando sea necesario reemplazarlos en futuras reparaciones será un simple quitar uno y colocar otro sin siquiera usar soldador. Además, el desoldar y soldar una plaqueta hace que la pista vaya perdiendo adherencia al plástico y al cabo de varias reparaciones la isla sede al igual que las pistas que de ella salen.
En la foto se observan puentes de alambre, resistencias, capacitores, zócalos para circuitos integrados, algunos diodos LED y un cristal.
4.1.2 MÉTODO SERIGRÁFICO La serigrafía es una técnica de impresión empleada en el método de reproducción de documentos e imágenes sobre cualquier material, y consiste en transferir una tinta a través de una malla tensada en un marco, el paso de la tinta se bloquea en las áreas donde no habrá imagen mediante una emulsión o barniz, quedando libre la zona donde pasará la tinta. El sistema de impresión es repetitivo, esto es, que una vez que el primer modelo se ha logrado, la impresión puede ser repetida cientos y hasta miles de veces sin perder definición .
Aplicación 7
Se sitúa la malla, unida a un marco para mantenerla tensa, sobre el soporte a imprimir y se hace pasar la tinta a través de ella, aplicándole una presión moderada con un rasero, generalmente de caucho. La impresión se realiza a través de una tela de trama abierta, enmarcada en un marco, que se emulsiona con una materia foto sensible. Por contacto, el original se expone a la luz para endurecer las partes libres de imagen. Por el lavado con agua se diluye la parte no expuesta, dejando esas partes libres en la tela. El soporte a imprimir se coloca debajo del marco, dentro del cual se coloca la tinta, que se extiende sobre toda la tela por medio de una regla de goma. La tinta pasa a través de la malla en la parte de la imagen y se deposita en el papel o tela.
Historia La serigrafía es un sistema de impresión milenario. Si bien no hay datos exactos, se cree que se remonta a la antigua China, en la que según una leyenda utilizaban cabellos de mujer entrelazados a los que les pegaban papeles, formando dibujos que luego se laqueaban para que quedaran impermeables. Posteriormente se cambió el material por la seda, de ahí proviene su nombre: sericum (seda, en latín) graphe (escribir, en griego). En la antigüedad se fabricaban unas calcomanías que se aplicaban en los artículos de uso diario, platos, vasos, etc. En Europa se utilizó para imprimir telas, en lo que se llamó "impresión a la lionesa", por ser el lugar en donde se aplicaba este sistema. Las primeras serigrafías sobre papel (carteles publicitarios) aparecen en Estados Unidos sobre 1916 con una nota pendiente de concesión. La primera patente concedida es para Selectasine en 1918. Guy Maccoy fue el primero en utilizar la técnica de la serigrafía con fines artísticos. Realizó sus dos primeras serigrafías en 1932; ambas eran alrededor de 9 x 11 pulgadas y tiró aproximadamente 40 copias de cada diseño. En 1938 tuvo su primera exposición individual, la primera de serigrafías en una galería. Es en Estados Unidos, y con el auge de la fotografía y los productos químicos, donde toma un impulso espectacular; por ser un método muy versátil para poder imprimir en muchos materiales, hoy en día pueden distinguirse miles de artículos procesados con serigrafía.
La malla Vale decir que una de las razones por la que la seda ha quedado prácticamente en desuso es porque por más que la estiremos, cuando toma la humedad ambiente, se vuelve a aflojar por lo que comúnmente, en la actualidad (2009) se utiliza nylon (o un material acrílico). El diámetro de los hilos que constituyen la seda son uniformes, pero las gasa pueden ser de distintos grosores, esto significa que para un trabajo con más detalle se prefiere usar una gasa de hilos delgados y por lo tanto un tejido más cerrado. Para la parte textil la cantidad de hilos arranca de los 18# hilos por cm lineal y hasta los 90 # hilos por cm lineal. Para la parte utilizable con tintas al solvente (impresiones no textil) ejemplos: Plásticos, madera, metales u otros materiales las mallas (sedas) tienen que ser de trama más cerradas, arrancan desde los 100# hilos por cm lineal hasta los 200# hilos. Hay sedas blancas y de color amarillo, estas últimas nos permite tener una mejor calidad en la copia del original, dado que no refracta la luz. Las sedas pueden ser monofilamento o multifilamento, las "mono" son más resistentes y mantienen en el tensado en el marco una muy buena estabilidad dimensional, diferente de las multifilamento que son de baja calidad y poca durabilidad.
Preparación Durante la preparación de la técnica, la gasa debe ser unida en forma tensa al marco. La tensión en la gasa es muy importante para obtener buenos resultados. La tensión llega a variar un poco dependiendo de la resistencia de la gasa, por ejemplo si la gasa escogida es constituida de hilos más delgados, o si la gasa se monta al marco en forma manual. La tensión sobre la superficie puede ser medida con un instrumento de medición en newton. Una variación usa cilindros de acero inoxidable, con minúsculos poros por donde pasa la tinta, la presión se ejerce con un cilindro metálico alojado en el interior del cilindro de impresión; este modo es empleado en la estampación textil y para fabricar las pistas de los circuitos impresos. Después de un largo proceso de preparación, la seda o tela queda completamente estirada y ordenada dándole forma y regularidad a la gasa.
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Proceso Como primer paso se debe obtener un soporte textil adecuado a la tarea a realizar, dependiendo de la resolución final del estampado, por ejemplo, para imprimir un cartel publicitario se debería usar muselina, con aprox. 20 hilos, o si se desea un dibujo minúsculo se usa seda sintética para serigrafía, debido a que esta tiene más de 100 hilos y por tanto los orificios quedaran más pequeños. La preparación del bastidor es muy similar a la preparación de lienzos para pintura al oleo, se tensa la muselina o la seda serigrafía al bastidor de madera o al marco metálico, teniendo en consideración que el soporte textil debe quedar tensionado al punto en que no presente arrugas pero que al momento de imprimir no se rasgue, normalmente se sostiene con grapas al bastidor de madera templando de un punto a la vez y de manera cruzada, esto con el fin de que la tensión quede pareja en todas las esquinas. Los fotolitos se pueden realizar en distintos materiales, hasta hace unos años se hacían con una lamina de acetato transparente la cual se pintaba con marcador o tinta china, otro método era con fotocopias en acetato transparente, actualmente se realizan mediante impresoras térmicas diseñadas exclusivamente para tal fin y que utilizan film exclusivo de alta calidad o con impresoras convencionales sobre papel bond común, de 75gr, al cual se pinta por el revés con aceite de almendras, esto hace que el papel se torne transparente y permita el quemado de la plancha. Existen diversas emulsiones en el mercado, dependiendo de la tinta con la que se ha de imprimir, la más común es la emulsión fotoserigame de color azul, la cual se usa para estampar con tintas con base de agua y con base de bencina (varsol), también existe la emulsión roja para imprimir con tintas con base de pvc, esta no es resistente a las tintas con base en agua, estas emulsiones son activadas con bicromato de amonio. Para realizar las planchas de impresión debe hacerse en oscuridad o penumbra, o con ayuda de lámparas de seguridad. Se le adiciona a la emulsión el bicromato de amonio en la cantidad que indique el fabricante, normalmente son unas pocas gotas, cabe recordar que estos materiales son fotosensibles, lo más recomendable es almacenarlos en un sitio oscuro o dentro de bolsas plásticas de color negro, una vez preparada la emulsión se extiende de manera pareja con una canal o una espátula sobre el bastidor con la seda tensionada y se deja secar en un sitio oscuro o con la ayuda de un secador de cabello, una vez seca, la emulsión se torna algo transparente. Para quemar las planchas se usa una fuente de luz, normalmente una mesa de dibujo para calcar, la emulsión reacciona dependiendo de la cantidad de luz por esto es importante hacer pruebas para determinar el tiempo de exposición, habitualmente para una mesa de dibujo se expone por no más de un minuto, también se puede usar el foco de un cuarto, para ello se debe exponer por aprox. 20 min o usar lámparas de cajón construidas para este fin, con varios bombillos fluorescentes. Teniendo el bastidor con la emulsión seca se ubica el fotolito, también llamado arte, realizado debajo de él, el objetivo es que las partes negras del fotolito no dejen pasar la luz hacia ciertas partes de la seda emulsionada, por lo tanto, en estas partes la emulsión no se curará y podrá ser lavada posteriormente, hay que tener en cuenta que no debe de quedar espacio entr e el fotolito y la plancha, para esto se usan libros o cualquier elemento que presione la seda sobre los fotolitos. Luego de la exposición de la plancha se procede a revelar, en este momento se puede salir de el cuarto oscuro hacia un fregadero, suavemente se frota la seda con la mano o con un pincel, las partes que no fueron expuestas a la luz se diluirán fácilmente dejando la seda en bl anco, no se debe frotar mucho porque toda la emulsión se caerá. En caso de que no se revelen
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las partes de la plancha es debido a que la plancha quedo sobre-expuesta, de lo contrario si toda la plancha queda en blanco es porque quedo sub-expuesta y necesitaba mas tiempo para reaccionar. Después del proceso de revelado hay que dejar secar la plancha, en ocasiones quedan partes en que la emulsión se ha limpiado pero que no son parte del dibujo, para esto se puede pintar usando un pincel con la emulsión sobrante, una vez seca, la plancha podrá ser usada para imprimir. En caso de que se requiera recuperar una plancha arruinada se puede usar lejía para diluir la emulsión así esta ya este curada.
Usos Áreas pequeñas que forman letras sobre la gasa no son bloqueadas. El procedimiento de impresión es muy utilizado para hacer reproducciones de arte y de anuncios; en la reproducción de obra de arte, pinturas, dibujos, carteles, etc.
En el estampado de tejidos, camisetas, vestidos, telas, corbatas, material de deporte, calzado, lonas, y en todo tipo de ropa.
En la impresión de plásticos. Marquesinas, paneles, elementos de decoración, placas de señalización y marcaje, tableros de control, etc.
En la impresión de madera y corcho, para elementos de decoración, puestas, muebles, paneles, etc.
En la impresión de calcomanías y etiquetas. Calcomanías al agua y secas, etiquetas en complejos o materiales autoadhesivos (papel y policloruro de vinilo (PVC)), calcomanías vitrificables para la decoración de azulejos, vidrio y cerámica.
Decoración de cristal, para espejos y material, para todo tipo de máquinas recreativas y de juego, y en cilíndrico para frascos, botellas, envases, jeringuillas, ampollas, vasijas, etc.
Para el flocado de todo tipo de materiales, en este caso el adhesivo se aplica también por serigrafía.
En la producción de cartelería mural de gran formato, las vallas de publicidad exterior, por la resistencia de las tintas a los rayos ultravioleta.
En todo tipo de materiales para decoración de escaparates, mostradores, vitrinas, interiores de tiendas, y, en cualquier escala, elementos de decoración promocionales y publicitarios.
Decoración directa por medio de esmaltes y vitrificables de barro, cerámica, porcelana, etc.
Etiquetas en aluminio, cartulinas, cueros, tejidos, etc.
Producción de circuitos impresos.
Decoración de corcho y madera.
Rotulación y marcaje con transportadores para vehículos y material de automoción.
Impresión de cubiertas para carpetas, libros, etc.
Impresión de artículos mercadotécnicos. Lapiceros, llaveros, etc.
Las impresiones serigráficas pueden detectarse porque cada color tiene cierto relieve, y en los contornos de las imágenes de trazado, como los textos, si los aumentamos, aparecerán con una forma que recuerda a los dientes de una sierra. Sería difícil llegar a un detalle completo de todas ellas, ya que evoluciona de forma continua precisamente por sus posibilidades de aplicación en cualquier tipo de soporte.
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4.1.3 MÉTODO DIRECTO Existen dos maneras distintas para la elaboración de PCB´s por el método directo: dibujar directamente sobre el lado cobrizo de la placa y a continuación sensibilizarla positiva o negativamente ;
Elaboración por método directo, placa positiva Este método depende de cómo se manejen cada uno de los pasos del proceso, ya que es un método tanto minucioso como delicado; INSOLACION Para este método se debe: 1.-se debe de quitar el recubrimiento adhesivo de la placa fotosensible positiva 2.-coloca la cara o dibujo original sobre la placa fotosensible, se debe de determinar bien la cara de los componentes y la de las soldaduras 3.- coloca cuidadosamente la placa junto al vidrio del marco de insolación 4.-insolar de 12 a 15 minutos si se utiliza acetato o película fotográfica Insolar de 15 a 20 minutos si se utiliza papel albanene, cebolla o myler REVELADO 1.-prepara el líquido de revelado 2.- Vacía el contenido de la bolsa de revelador AR45 y agregar 1 litro de agua, a 20 °C de temperatura como mínimo. 3.-Espera a que los cristales se disuelvan completamente. 4.-Inmediatamente después de la insolación, sumerge la placa en el revelador y agita el recipiente de plástico. 5.-Toda la resina fotosensible que ha sido insolada, deberá desaparecer en menos de un minuto. 6.- por ultimo enjuaga la placa en agua corriente. GRABADO 1.- Para realizar más rápidamente la operación de grabado, es necesario encender la máquina de grabado antes de la insolación. 2.-Coloca la placa sobre el transportador de la máquina de grabado. El agente grabador corroerá el cobre que no esté protegido por la resina. El tiempo de grabado, con percloruro de hierro nuevo, será de aproximadamente 45 segundos. 3.-Cuando el tiempo de grabado se haya duplicado respecto a la primera operación de grabado, deberá cambiarse el percloruro de hierro. 4.-debes de enjuagar la placa al salir esta de la máquina. ELIMINACION DE LA RESINA 1.- Se debe eliminar la resina restante con un algodón mojado con STRIPPER AR61 o con otro solvente 2.-La resina se puede dejar mientras se efectúa el taladrado de la placa, para proteger el cobre. 3.-También es posible eliminar la resina residual, volviendo a insolar la placa grabada y destruir la resina con los rayos ultravioletas. 4.-Sumergir la placa en el líquido revelador. 5.-El circuito está terminado, ahora podrá barnizarse o estañarse.
4.2 GENERALIDADES EN LA FABRICACIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS (MONOLÍTICOS Y PELICULARES) El diseño de un proyecto electrónico o prototipo se resume en las siguientes etapas: la prueba del circuito armado en protoboard, el diseño esquemático del circuito, el diseño del circuito impreso (y fabricación), y el ensamble de componentes y chasis. El chasis como tal es el elemento físico de montaje de los componentes eléctricos y electrónicos para su correcto ensamblaje y formación en el trabajo aplicado como tal; este ensamblaje se distingue por:
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Las Características Generales abarcan entre otros temas las características básicas de los materiales para su implementación en un circuito de tal forma que este tenga una optimización máxima de los recursos utilizados La tablilla de montaje sirve de soporte físico para el trazado de las pistas conductoras de cobre y colocación y soldadura de los componentes por sus características físicas debe ser buen aislante y resistente al fuego. Ejemplo: baquelita, fibra de vidrio, resina epoxídica, Los circuitos en la actualidad se procesan con maquinaria de alto nivel de precisión y complejidad lo que da la amplitud de elaborar circuitos eléctricos de varias capas de pistas de las cuales para nuestro estudio básico tomaremos las mas utilizadas en el medio comercial Placa de simple cara (monocapa) En este tipo de placa se encuentra la cara de componentes, donde se colocan los componentes y los conectores de entradasalida de la placa. En la parte posterior de la placa se encuentran las pistas conductoras impresas las cuales llevan los pads de los componentes para ser soldados; por su parte la cara superior de la misma placa lleva las referencias esquemáticas de los componentes electrónicos que se colocaran para el trabajo del circuito.
Reglas de Diseño Emplazamiento de componentes Una de las reglas básicas del diseño de componentes es la forma o su acomodo sobre la placa, el cual debe de ser secuenciado y en orientación fija de cada componente pues el diseño de una placa debe poseer una simbiosis con su diagrama eléctrico electrónico de cuerpos los cuales regularmente son secuenciales y al tener una secuenciación precisa de componentes se podrá cotejar mejor algún error que pudiese surgir en la placa
Diseño de pistas, nodos, pads La determinación de la configuración de los circuitos y el tipo de material a utilizar en una placa electrónica nos guiaran a la conformación de una placa realizada con pads de conexión o por medio de nodos.
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Los pads hacen referencia a un armado de componentes superficiales en las caras de la placa con lo que nos otorga beneficio de espacio y productividad contraponiendo la forma de armarla ya que al ser los componentes minúsculos su soldadura se tiene que realizar forzosamente por maquinaria especializada para tal labor.
Por su parte los nodos de interconexión son barrenos pasados que permiten la llegada de los pines de conexión de los componentes electrónicos a la placa de pistas de cobre pudiendo soldar de esta manera el mismo hombre sin la necesidad de una maquinaria muy especializada para su proceso cuidado y reparación
PAD
NODO (land)
Trazado de pistas El trazado de pistas es esencial en el diseño de un circuito secuencial puesto que de estas depende la forma de conducción de la corriente las limitaciones en voltaje y amperaje que pueden pasara por un punto en un determinado momento. Las pistas como tal deben de construirse sin ángulos de 90ª cuando la corriente es alta o el voltaje excesivo ya que al disponerlas en ángulos de esta naturaleza puede propiciarse que la pista se funda por el paso de la energía en ese punto en específico. Por tanto las pistas deben de ser tras puestas a ángulos de 45ª con dos recodos particularmente o alineados sin que dos pistas se toquen o choquen; a su vez se pueden disponer pistas de índole directa cuando la corriente y amperaje es baja
Aquí se muestra la forma de disposición en la impresión de las divergentes pistas que los componentes pueden tomar par a su trabajo en un circuito electrónico
Impresiones
Vías
Métodos de diseño de circuitos impresos
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Método de diseño manual Puede ser utilizado en circuitos de poca complejidad y que, por este motivo, presenten Especificaciones no muy exigentes. El diseño manual es un proceso laborioso y rutinario, en el que cualquier modificación en el esquema obliga a desechar el material gráfico.
Diseño asistido por ordenador . El paquete de software para diseño de circuitos impresos debe permitir la captura de Esquemáticos, la simulación y el diseño físico de la placa. El programa realizará el diseño de la placa, colocación automática de componentes (autoplace) y posterior trazado de pistas o routing. Algunos programas de diseño de circuitos impresos son: Orcad, PcBoards, Tango, Protel..
Diseño por serigrafía
La serigrafía es una técnica de estampación que combina el uso de materiales y procedimientos fotográficos con tintas especiales
Transferencia del diseño a la placa
Procedimiento de dibujo directo El traspaso del diseño a la placa se realiza de forma manual, dibujando sobre el cobre con un elemento que resista el ataque químico
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Transferencia del diseño a la placa Procedimiento fotográfico
Fabricación de una placa de circuito impreso:
Transferencia del diseño a la placa Ataque químico de la placa de cobre Lavado de la placa en una cubeta llena de agua Eliminar material protector Taladrado Aplicación de barniz para evitar oxidación y facilitar soldadura Inserción y soldadura de componentes
Los Conductores Reciben el nombre de pistas, los cuales son los elementos de transferencia eléctrica e interconexión entre pines y zócalos perimetrales; estas pistas transfieren desde señales muy discretas hasta un determinado número de ampers por centímetro cuadrado lo que les da su denominación en espesor, por la forma de transferencia que se ocupa y el grado de factibilidad económica el material más utilizado es el cobre. Las pistas tendrán sección rectangular por convección y su fácil manejo en las diversas formas de impresión de circuitos teniendo un espesor estándar de 35 micras mientras el ancho de las pistas varía entre 0.30 y 0.15 mm al igual que la separación entre ellas, que también varía entre 0.30 y 0.15 mm.
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Componentes
Componentes
Según la forma en que se montan sobre la PCB: THD: Through Hole Device
SMD: Surface Mount Device
El diseño consiste básicamente en transformar el esquema eléctrico del circuito en un plano real que contempla la colocación y posición de los componentes y el trazado de todas las pistas y sus puntos de interconexión o contacto, todas las entradas y salidas del circuito.
Aspectos importantes a considerar en el diseño:
Condiciones de trabajo de la tarjeta Diseño apto para automatizar el proceso de montaje Anchura de las pistas conductoras y separación entre ellas Disipación de calor Emisión e inmunidad frente a interferencias electromagnéticas
Soldadura Existen diversos tipos de soldaduras una para cada tipo de trabajo a realizar y dependiendo de la soldadura existe una conductividad o una resistencia que ejercen un despliegue o caída de corriente, regularmente caída en ese punto, en el punto de soldado. Por ello la gran variedad de soldaduras que existen se enumeran a continuación teniendo en un primer plano las más comunes y de un grado de resistencia mayor a las secuentes que posen un grado optimo de conductividad en un nodo soldado ma s son mucho más caras y difíciles de aplicar
Aleaciones Estaño-Plomo-Cadmio Estaño-Plomo-Plata Estaño-Plomo-Cobre Estaño-Plomo Estaño-Plata Estaño-Oro
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Soldadura por ola ( SMD y THD)
Soldadura con pasta ( SMD ) Se deposita la pasta de soldadura en las zonas de soldadura o pads, y en un proceso posterior de aplicación de calor se fundirá la pasta sobre los pines del chip, produciéndose la soldadura. Algo muy presente que subsiste en la elaboracion de las placas electronicas son los pasos posteriores a su imprecon y reduccion de cobre, por lo cual presentamos de forma predemeritadamente simple los pasos concretos que se deben de seguir para la culminacion de una pieza electronica
Enjuague y Limpieza Una vez se saque la placa del acido hay que enjuagarla con abundante agua para que el acido no la sigua comiendo, luego conviene secarla con un trapo limpio. Una vez seca, se empapara el tóner con acetona y se rascara con un cepillo de dientes o con la lana de acero, eliminando así todo el tóner de la placa.
Marcado de Taladros Con una puntilla fina o punzón y un martillo vamos marcando los orificios donde se taladrara. No consiste en taladrar la placa con la puntilla, solo de hacerle una marquita para que la broca no patine y corte las pistas.
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Taladro de la Placa Una vez listas las marcas, procederemos a taladrar la placa, para lo cual usaremos un taladro que acepte brocas de 1mm. Si la broca quedase pequeña y no fuera agarrada por el taladro, pueden colocar un trozo de cinta aislante.
Eliminar Rebabas Con un trozo de lana de acero se le da a toda la placa por delante y por detrás para evitar pinchazos con los trozos de cobre y procuraremos que quede lisa. Luego la limpiaremos de nuevo con acetona y un trapo limpio .
Soldadura de componentes Ahora que vamos a soldar hay que mantener la punta del soldado (cautín) limpia, y que vayan soldando los componentes de los más pequeños (resistencias, zócalos, etc...) a los más grandes. Se aplicara un poco de pasta en la zona a estañar, tras lo cual se pondrá un pequeño punto de soldadura en la placa sin el componente cuidando que quede específicamente sobre el agujero donde entrara el pin del componente. Una vez que ya este realizado el paso anterior, se coloca el componente sobre el nodo a los nodos estañados, tr as lo cual se calientan ejerciendo a su vez un poco de presión en el componente para que este entre en el nodo quedando unidos por la soldadura. Solo para verificar que la soldadura haya quedado bien realizada, se deberá de dar unos pequeños golpecitos al pad determinando que la soldadura quedo bien unida a ambos elementos; si esta se cae o llega a separarse de alguno de los dos elementos (placa o componente) la soldadura se determina como mal hecha y se tendrá que volver a realizar el proceso de soldado limpiando previamente el nodo a soldar antes de volver a realizar todo el proceso
4.3 PROCESO DE FABRICACIÓN DE CERÁMICOS La cerámica (palabra derivada del griego κεραμικός keramikos, "sustancia quemada") es el arte de fabricar recipientes, vasijas y otros objetos de barro, loza y porcelana. También es el nombre de dichos objetos. El término se aplica de una forma tan amplia que ha perdido buena parte de su significado. No sólo se aplica a las industrias de silicatos (grupo de minerales de mayor abundancia, pues constituyen más del 95% de la corteza terrestre), sino también a artículos y recubrimientos aglutinados por medio del calor, con suficiente temperatura como para dar lugar al sinterizado. Este campo se está ampliando nuevamente incluyendo en él a cementos y esmaltes sobre metal.
4 .3.1 PROCESOS DE FABRICACIÓN DE CERÁMICA PIEZOELÉCTRICA
Introducción Un material ferroeléctrico es aquel que espontáneamente posee una polarización eléctrica cuyo sentido se puede invertir mediante aplicación de un campo eléctrico externo suficientemente alto (histéresis ferroeléctrica) Un material piroeléctrico desarrolla un campo eléctrico cuando se calienta.
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Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra de diferente a la salida. Son transductores piezoeléctricos aquellos que basan su funcionamiento en el fenómeno de la piezoelectricidad. Para su fabricación se utilizan materiales cerámicos como el Titano de Bario, aunque en un principio se usaban el Cuarzo o la Sal de Rochelle. Mediante el efecto piezoeléctrico directo a través de una fuerza externa se logra un desplazamiento de cargas lo que induce una corriente de desplazamiento y ésta un campo eléctrico. Éste es el fundamento de, por ejemplo, los micrófonos piezoeléctricos. Mientras que los altavoces piezoeléctricos aprovechan el efecto piezoeléctrico inverso, mediante el cual a través de un campo eléctrico (DDP externo) se produce una deformación mecánica, que convenientemente aprovechada, puede llegar a emitir sonidos. Existen numerosos aparatos que deben su funcionamiento al proceso de transducción piezoeléctrica, como los acelerómetros, mandos a distancia por ultrasonidos, ciertos sistemas sonar y muchos más aparte de los mencionados anteriormente. Un material piezoeléctrico es aquel que, debido a poseer una polarización espontánea, genera un voltaje cuando se le aplica presión o, inversamente, se deforma bajo la acción de un campo eléctrico. Cuando el campo eléctrico aplicado es alterno, este produce una vibración del piezoeléctrico. Estos materiales encuentran un rango amplio de aplicaciones, principalmente como sensores -para convertir un movimiento en una señal eléctrica o viceversa-. Están presentes en micrófonos, generadores de ultrasonido y medidores de presión. Todos los ferroeléctricos son piezoeléctricos, pero hay muchos piezoeléctricos cuya polarización espontánea puede variar pero no es invertible y, en consecuencia, no son ferroeléctricos. Si un material piezoeléctrico es expuesto a una tensión eléctrica, experimentará una deformación mecánica. Estos dos fenómenos se estimulan mutuamente. Es decir, que si se golpea o deforma un material con cualidades piezoeléctricas, esa deformación provocará un voltaje que a su vez deformará el material, generando nuevamente una tensión eléctrica, y así sucesivamente.
Historia El efecto piezoeléctrico o piezoelectricidad fue descubierto en 1880 por los hermanos Curie y P. Langevin lo puso en práctica por vez primera en sonares durante la I Guerra Mundial. Langevin, en ese entonces, utilizó cuarzo asociado a masas metálicas para generar ultrasonidos en el rango de algún KHertzs. Tras la Primera Guerra Mundial debido a la dificultad para excitar transductores construidos con cuarzo, debido a su demanda de alta tensión, comenzaron las investigaciones con materiales sintéticos piezoeléctricos. En las décadas del 40 y 50, estos esfuerzos llevaron a la fabricación de las primeras cerámicas piezoeléctricas, de Titanato de Bário por la antigua URSS y Japón, y de Titanato Zirconato de Plomo (PZT’s) por los EUA.
El desarrollo de las cerámicas piezoeléctricas fue revolucionario. Ellas, además de presentar mejores propiedades que los cristales después de polarizadas, también presentaban geometrías y dimensiones más flexibles, ya que son fabricadas a través de la sinterización de polvos cerámicos, conformados mediante prensado o extrusión. Actualmente los materiales piezoeléctricos predominantes en el mercado son las cerámicas piezoeléctricas tipo PZT con sus diversas variaciones. Otras como las compuestas por PT (PbTiO3) y el PMN (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3) son utilizadas en dispositivos que con características especiales, como los transductores para alta temperatura.
Funcionamiento Las cerámicas piezoeléctricas son cuerpos macizos semejantes a las utilizadas en isoladores eléctricos, ellas están constituidas por innumerables cristales ferroeléctricos microscópicos llegando a denominarse como policristalinas. Particularmente en las cerámicas del tipo PZT, esos pequeños cristales poseen estructuras cristalinas tipo Perovskita, pudiendo presentar simetría tetragonal, romboédrica o cúbica simples, teniendo en cuenta la temperatura en la que el material se encuentre. Estando por debajo de una temperatura crítica, conocida como Temperatura de Curie, la estructura Perovskita presentará la simetría tetragonal donde el centro de simetría de las cargas eléctricas positivas no coincide con el centro de simetría de las cagas negativas, dando origen a un dipolo eléctrico. La existencia de este dipolo provoca que la estructura cristalina se deforme en presencia de un campo eléctrico y genere un desplazamiento eléctrico cuando es sometida a una deformación mecánica, caracterizando el efecto piezoeléctrico inverso y directo respectivamente. La deformación mecánica o la variación del dipolo eléctrico de la estructura cristalina de la cerámica no necesariamente implican efectos macroscópicos, ya que los dipolos se organizan en dominios, que a su vez se distribuyen aleatoriamente en el material policristalino. Para que ocurran manifestaciones macroscópicas es necesario una orientación preferencial de estos dominios, conocida como polarización.
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Inclusive esta polarización se desvanece con el tiempo y el uso, inutilizando el material para la transformación de energía eléctrica en mecánica.
Fabricación de piezoeléctricos Resumen: procedimiento para la fabricación de materiales cerámicos piezoeléctricos a partir de materias primas reactivas. Comprende las siguientes operaciones: primera, se mezclan soluciones de sales orgánicas, inorgánicas o mezclas de ambas, de los siguientes cationes pb2b, la3b, zr4b y ti4b, para formar una solución única a la que se añade un agente precipitante adecuado, lo que provoca la precipitación secuencial de los distintos cationes en forma de hidróxidos; segunda, durante el proceso de precipitación se agita la mezcla formada, para obtener un material amorfo que se separa mediante filtración y lavado; tercera, el material amorfo una vez seco se partícula y precalcina a una temperatura comprendida entre 500 y 550 grados, obteniéndose un compuesto cerámico pulvurulento que se homogeniza en medio húmedo y posteriormente se seca y prensa o extrusiona por métodos habituales; y por último, el material prensado o extrusionado se sintetiza a una temperatura comprendida entre 1150 y 1250 grados. Los materiales piezoeléctricos de titanato de bario, se fabrican por procesos cerámicos, y se los polariza enfriándolos desde temperaturas superiores a las de Curie, en un campo eléctrico intenso. Se usan como transductores; su sensibilidad piezoeléctrica es algo inferior a la sal de Rochelle, pero tienen otras ventajas como: gran resistencia mecánica, resistencia a la humedad, y posibilidad de usarse dentro de un rango de temperaturas mayor, (hasta los 70ºC de temperatura; para temperaturas superiores puede usarse el titanato de plomo). Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen carácter piezoeléctrico de forma natural (cuarzo, turmalina) y los llamados ferroeléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma de microcristales orientados). Funcionamiento
La célula unitaria de cuarzo (Si –O2) está compuesta por 6 átomos de oxigeno, con dos cargas negativas cada uno, y 3 de silicio con cuatro cargas positivas cada uno. La proyección del hexágono atómico (Figura 1) muestra los 3 átomos de silicio, y solo 3 de los 6 de oxígeno, dado que ellos se superponen 2 a 2. Si se ejerce una presión, por ejemplo, en el sentido indicado por las flechas, se producen una deformación de la célula; un desplazamiento de las cargas, y el equilibrio eléctrico resulta alterado. Como consecuencia aparecen cargas de signo opuesto en la parte superior e inferior de la célula esquematizada. Muchas sustancias cristalinas poseen propiedades piezoeléctricas, pero sola mente algunas se usan a escala industrial; entre éstas, el cuarzo, la Sal de Rochelle, el titanato de bario, el fosfato dihidrogenado de amonio (ADP), etc... De los cristales piezoeléctricos se cortan láminas que se usan fundamentalmente como patrones (o controles) de frecuencia, o como transductores. Estas láminas, que se cortan siguiendo determinadas reglas, vinculadas a los ejes cristalográficos, se suelen llamar simplemente cristales.
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Aplicaciones
Las principales aplicaciones de las cerámicas piezoeléctricas son: Equipos médicos de imagen por ecografía Medidores de nivel y distancia por pulso-eco (los sensores de estacionamiento automotivos son ultrasónicos). Equipos de limpieza por ultrasonidos Sensores de vibraciones y acelerómetro Máquinas de soldadura por ultrasonidos Transductores por ultrasonidos para ensayos no destructivos (END) Actuadores y motores piezoeléctricos
4.3.2 PROCESO DE FABRICACIÓN DE CERÁMICA FERROELÉCTRICA Un material ferroeléctrico es aquel que espontáneamente posee una polarización eléctrica cuyo sentido se puede invertir mediante aplicación de un campo eléctrico externo suficientemente alto (histéresis ferroeléctrica). Estos materiales exhiben múltiples propiedades derivadas de su polarización espontánea, en ausencia de un campo eléctrico externo, y de la posibilidad de su inversión (memorias de ordenador). La polarización espontánea puede modificarse mediante campos eléctricos (electrostricción) o de tensiones mecánicas (piezoelectricidad) externos y mediante variaciones de la temperatura (piroelectricidad). La polarización espontánea y su capacidad de modificación son también el origen de la alta constante dieléctrica o permitividad de los ferroeléctricos, que tiene aplicación en condensadore. Todos los ferroeléctricos son piezoeléctricos, pero hay muchos piezoeléctricos cuya polarización espontánea puede variar pero no es invertible y, en consecuencia, no son ferroeléctricos.
FABRICACION DE LOS FERROELECTRICOS Las tecnologías de la fabricación para todos los materiales de cerámica electrónica tienen los mismos pasos de procesado básicos, sin importar el uso: preparación del polvo, procesado de dicho polvo, “green forming”, y la densificación .
Preparación del polvo de la cerámica La meta en la preparación del polvo es alcanzar un polvo de cerámica que rinda en un producto que satisfaga los estándares de funcionamiento especificados. Los ejemplos de los métodos más importantes de la preparación del polvo para la cerámica electrónica incluyen mezcla/calcinación, la co-precipitación de solventes, el procesado hidrotérmico, y la descomposición orgánica del metal. La tendencia en síntesis del polvo está encaminada hacia los polvos que ti enen tamaños de partícula menos de 1 milímetro y poco o nada de aglomeraciones duras para la reactividad y la uniformidad realzadas. Mezclar los componentes seguidos de una calcinación y después molerlos es el método más utilizado en la preparación del polvo. El proceso de mezcla y calcinación es directo, y en el general, el uso más rentable de los bienes de equipo. Sin embargo, la calcinación de alta temperatura produce un polvo aglomerado que requiere ser molido. La contaminación de medios que muelen y la guarnición del molino en el paso que muele pueden crear defectos en el producto manufacturado en forma de inclusiones mal sinterizadas o de modificaciones indeseables del compuesto. Además, es difícil alcanzar la homogeneidad, la estequiometría, y las fases deseadas para la cerámica de composición compleja.
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Co-precipitación Es una técnica química en la cual los compuestos son precipitados de una solución precursora por la adición de un agente de precipitación, por ejemplo, un hidróxido. La sal del metal entonces se calcina a la fase deseada. La ventaja de estas técnicas frente a la técnica de mezcla + calcinación es que la mezcla de los elementos deseados se alcanza fácilmente, permitiendo así temperaturas más bajas. Las limitaciones son que el paso por la calcinación puede dar lugar de nuevo a la aglomeración de polvo fino y a la necesidad de moler. Un problema adicional es que los iones usados para proporcionar las sales solubles (por ejemplo, los cloruros del metal) pueden rezagarse en el polvo después de la calcinación, afectando las características en el material sinterizado. Proceso hidrotérmico
Utiliza agua caliente bajo presión (sobre 100°C) para producir los óxidos cristalinos. Esta técnica se ha utilizado extensamente en el procesado de formación del Al2O3 (proceso de Bayer), pero todavía no para otros polvos electrónicos. Se espera que la situación cambie. La ventaja principal de la técnica hidrotérmica es que los polvos cristalinos de estequiometria deseada y las fases se pueden preparar en las temperaturas perceptiblemente inferiores a las requeridas para la calcinación. Otra ventaja es que la fase de la solución se puede utilizar para mantener las partículas separadas y para reducir al mínimo la aglomeración. La limitación principal del proceso hidrotérmico es la necesidad de las materias de base de reaccionar en un sistema cerrado para mantener la presión y para prevenir hervir la solución.
La descomposición orgánica del metal (MOD) Es una técnica de síntesis en la cual metal que contiene los productos químicos orgánicos reacciona con agua en un solvente no acuoso formando un hidróxido del metal o un óxido acuoso, o en los casos especiales, un óxido de metal anhidro. Las técnicas de la MOD se pueden también utilizar para preparar los polvos del nonoxida. Los polvos pueden requerir la calcinación para obtener la fase deseada. Una ventaja importante del método MOD es el control sobre la pureza y la estequiometria que pueden ser alcanzadas. Dos limitaciones son: el control de la atmósfera (si está requerido) y costo de los productos químicos. Sin embargo, el coste de productos químicos orgánicos del metal está disminuyendo con el mayor uso de las técnicas MOD.
Procesado del polvo Una pauta básica de la fabricación del polvo es que el procesado debe ser tan simple (el menor) como sea posible para alcanzar los estándares de funcionamiento apuntados. La fabricación del polvo de cerámica es un proceso iterativo durante el cual los contaminantes indeseables y los defectos pueden entrar en el material en cualquier etapa. Por lo tanto, es la mejor opción mantener el esquema de proceso del polvo tan simple como sea posible manteniendo la flexibilidad. Los factores incontrolables tales como cambios en las características de los polvos se deben acomodar en el proceso de la hornada del material. Mantener el proceso simple no es siempre posible: cuanto más complejo el sistema material, más complejos son los requisitos del proceso. Un requisito fundamental en el procesado del polvo es la caracterización de los polvos recibidos. Muchos surtidores del polvo proporcionan la información y vierten densidades, distribuciones de tamaño de partícula, áreas superficiales específicas, y análisis químicos. Los datos de la caracterización proporcionados por los surtidores se deben comprobar y aumentar más lejos en lo posible con la caracterización interna. El comportamiento uniaxial de la compactación de la caracterización, en detalle, se mide y proporciona fácilmente con datos en la naturaleza de las aglomeraciones en un polvo.
Formación del Verde (green forming) La formación del verde es uno de los pasos más críticos de la fabricación de la cerámica electrónica. La opción de esta técnica depende de la última geometría requerida para un uso específico. Hay muchas y diversas maneras de formar la cerámica verde, varias de las cuales se resumen en la tabla 3. Los condensadores de múltiples capas requieren la preparación y apilar las hojas de cerámica de dos dimensiones para obtener una capacitancia grande en un volumen pequeño. Las técnicas usadas para preparar las hojas de dos dimensiones de cerámica verde, incluyendo el bastidor de la cinta, se discuten más adelante bajo proceso de la cerámica de múltiples capas.
Conformado uniaxial Es el método usado lo más extensamente posible para impartir forma a los polvos de cerámica. Las carpetas, los lubricantes, y otros añadidos se incorporan a menudo en polvos de cerámica antes de presionar para proporcionar fuerza y así asistir a la compactación de la partícula. Las geometrías simples tales como substratos rectangulares para los paquetes del circuito integrado (IC) se pueden hacer por conformado con presión uniaxial.
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Presionado isostático en frío (CIP). Formas más complejas se pueden hacer por presionado isostático en frío (CIP). El CIP utiliza moldes de goma deformable de la forma requerida para contener el polvo. El CIP no se automatiza tan fácilmente como la técnica anteriormente comentada, y hay que encontrarle un uso más amplio en la preparación de formas más complejas como aisladores del enchufe de chispa.
Bastidor coloidal El bastidor coloidal se ha utilizado para hacer formas complejas en la industria del “whiteware” durante muchos años. El otro
trabajo ha demostrado que el bastidor coloidal se puede utilizar para producir los materiales de cerámica electrónicos que tienen fuerza excepcional porque las aglomeraciones duras se pueden eliminar en la suspensión. El bastidor coloidal utiliza un molde poroso en el cual las partículas finas en una suspensión coloidal se acumulan debido a las fuerzas capilares en la superficie de la pared del molde. El embalaje relativamente denso de las partículas, aproximadamente un 60% de densidad teórica, puede ser alcanzado. Cabe destacar que los agregados duros se pueden eliminar del coloide por la selección y el procesado conveniente del polvo.
Extrusión Además de ser la técnica de formación preferida para las barras y los tubos de cerámica, el procesado de extrusión se utiliza para fabricar las láminas verdes gruesas usadas en muchos componentes electrónicos. El grueso más pequeño para las láminas verdes preparadas por técnicas de la protuberancia es cercano a los 80 milímetros. Los añadidos orgánicos similares a ésos usados en el bastidor de la cinta se emplean para formar una masa plástica de la alta viscosidad que conserve su forma cuando está sacada. El aparato de la protuberancia, demostrado esquemáticamente en el cuadro 4, consiste en una tolva para la introducción de la masa plastificada, un compartimiento de ventilación, y un screw-type o el embolo tipo barril del transporte en el cual la presión se genera para el paso de la masa plástica a través de un dado de la geometría deseada. La masa plástica se saca sobre una correa del portador y se pasa a través de los secadores para relajar la tensión plástica restante después de la protuberancia. La hoja verde puede ser estampada o cortada en cubitos para formar discos, las obleas, u otras formas.
Moldeado por inyección El moldeado por inyección se satisface particularmente a la producción en masa de formas complejas pequeñas con las secciones transversales relativamente pequeñas. Se mezclan los polvos usando los polímeros termoplásticos y otros añadidos orgánicos. Una masa fundida integrada por el sistema de cerámica y termoplástico de la carpeta se inyecta vía un estirador calentado en un molde refrescado de la forma deseada. Los fragmentos pueden ser reciclados porque los polímeros termoplásticos pueden ser calentados reversibles. Los moldes pueden ser relativamente costosos así que el moldeado de inyección se satisface lo mejor posible a la preparación de una gran cantidad de piezas únicas .
Densificación La densificación requiere generalmente altas temperaturas para eliminar la porosidad en cerámica verde. Las técnicas incluyen la sinterización sin presión, presión en caliente, y presionar isostáticamente en caliente (HIP). La sinterización es usada lo más extensamente posible debido a la comodidad de uso y economía. La presión en caliente se limita a las formas relativamente simples mientras que formas más complejas se pueden consolidar usando la HIP. La sinterización se utiliza para la mayoría de las cerámicas electrónicas. La presión en caliente y la HIP, que emplean la presión y altas temperaturas, se utilizan para consolidar la cerámica en la cual el movimiento de la dislocación (que conduce a la eliminación del poro) es inactivo. Ambas técnicas son particularmente útiles para los materiales del nonoxide tales como nitruro de silicio y el carburo del silicio. Las precauciones especiales se utilizan a menudo en la sinterización de la cerámica electrónica. Las tarifas de calefacción y los tiempos de asimiento en la temperatura máxima son críticos al desarrollo y al control microestructural del tamaño de grano. Los ciclos de la sinterización pueden incluir el recocido intermedio de la temperatura o el enfriamiento controlado para evitar tensiones residuales o para evitar transformaciones deletéreas de la fase. El control de la atmósfera puede ser importante para prevenir la pérdida de componentes volátiles o evitar reacciones de la reducción. En la producción continua, la quemadura secuencial (orgánicos) y la sinterización pueden ocurrir en el mismo horno, requiriendo temperatura compleja, completa en un ciclo, incluso para los dispositivos relativamente simples. Los dispositivos complejos tales como circuitos de la película gruesa y cerámica de varios componentes monolítica pueden requerir la fabricación secuencial y los pasos de la sinterización.
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4.4 DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES EMPLEADOS EN LA INGENIERÍA
Introducción El progreso tecnológico se encuentra estrechamente unido al desarrollo de nuevos materiales. Tan es así que clasificaciones como Edad de Piedra y Edad de Hierro se basan en el material principal con que se fabricaban utensilios y herramientas en un periodo histórico determinado. Con el paso del tiempo, la cantidad de materiales disponibles ha ido en aumento. Con el advenimiento de la Revolución Industrial, las máquinas empezaron a ser la base de una nueva economía y esto sigue siendo así hasta nuestros días. Sin embargo, en años recientes las máquinas han sufrido un cambio cualitativo como también lo han sufrido los materiales de interés. Hasta el siglo XIX lo más importante en un material eran sus propiedades mecánicas. Hoy en día, la tecnología electrónica que ha transformado el mundo ha llevado el interés fundamental a las propiedades electrónicas. Las propiedades mecánicas de los materiales nos indican qué tan bien soporta un material las fuerzas que se aplican sobre él. A nivel microscópico, estas propiedades son originadas por la forma en que los átomos de un material se enlazan entre sí. En cambio, las propiedades electrónicas de los materiales son originadas por la forma en que los electrones de un material reaccionan frente a una excitación. Entre éstas se clasifican las propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y térmicas, es decir, aquéllas que tienen que ver con los campos eléctricos, magnéticos, electromagnéticos y con el calor.
Metales Los metales fueron los primeros materiales que revolucionaron la forma de vivir de los pueblos primitivos. En la naturaleza, rara vez se encuentran en forma pura, por lo que tuvieron que desarrollarse métodos para separarlos de sus óxidos. Hoy en día, siguen siendo una de las categorías de materiales más importante, si no es que la más importante. Los metales resultan insustituibles en muchas aplicaciones debido a sus peculiares propiedades mecánicas y electrónicas. Los metales, en su estado natural, son relativamente blandos; es decir, muy fáciles de deformar. Sin embargo, existen tratamientos por medio de los cuales puede conseguirse que aumenten su dureza. A este t ipo de procedimientos se les conoce como procesos de fortalecimiento. También pueden crearse aleaciones; esto es, mezclas de distintos metales y otros elementos que sean más duros que sus componentes originales. Todo procedimiento que aumente la dureza de un metal, disminuirá necesariamente su tenacidad. Sin embargo, la dureza y tenacidad de la mayoría de las aleaciones se encuentran en el intervalo óptimo. Esta es la razón por la que una lata, fabricada a base de una aleación metálica, resiste mejor la caída que otros objetos más duros o más tenaces. Debido a esto, las aleaciones metálicas se usan sistemáticamente para fabricar los componentes estructurales de la mayoría de las máquinas. Entre estas destaca el acero, una aleación de hierro y carbono con pequeñas cantidades de otros elementos, que ocupa un lugar privilegiado en este ámbito de aplicación. Los enlaces entre los átomos de los metales son tales que permiten a los electrones moverse libremente a través de todo el material. Por esto, los metales son excelentes conductores de la electricidad y por supuesto, también del calor. Esta es la razón de que los cables que llevan la electricidad a nuestros hogares sean de metal, así como también los disipadores de calor que se utilizan obligadamente en la mayoría de los dispositivos electrónicos. Ciencia e ingeniería de materiales Los primeros materiales utilizados por el ser humano se tomaban directamente de la naturaleza, como la madera y la piedra. Posteriormente, se desarrollaron procedimientos más sofisticados que consiguen extraer del mundo natural aquello que éste no nos proporciona directamente. A esta categoría pertenece la tecnología de extracción de metales a partir de sus óxidos o del silicio a partir de la arena. La siguiente etapa consiste en combinar distintos materiales de modo que se puedan manipular sus propiedades en forma consciente y planeada. Ejemplo de esta etapa es la impurificación del hierro para aumentar su dureza o la impurificación del silicio para poder fabricar dispositivos semiconductores. El proceso por medio del cual se diseñan nuevos materiales se conoce como ingeniería de materiales (materials engineering). Los ingenieros que se dedican a esta actividad requieren de firmes conocimientos en el campo de la física y la química. Mientras mayor sea el nivel de sofisticación del material que se esté diseñando, mayor será la necesidad de profundizar en estos campos. El incremento de estos conocimientos se encuentra a cargo de científicos especializados en el estudio de los materiales, quienes estudian los fenómenos físicos y químicos relacionados con sus propiedades. Este campo de la investigación científica se conoce como ciencia de materiales (materials science).
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INNOVACIÓN EN MATERIALES El desarrollo de nuevos materiales va dejando obsoletas las clasificaciones tradicionales de los materiales, y las líneas de investigación abiertas son múltiples. Los nuevos materiales con que conviviremos en nuestra vida diaria durante el siglo XXI se desarrollarán a medida, con el fin de obtener un material con unas propiedades adecuadas para una aplicación determinada y serán "nano", inteligentes y biomiméticos, así como energéticamente más eficientes, reciclables y menos tóxicos a favor del medio ambiente y el desarrollo sostenible. La nanotecnología es uno de los novedosos campos que pr omete cambios espectaculares en la fabricación de nuevos materiales. La nanotecnología es la ciencia de fabricar y controlar estructuras y máquinas a nivel y tamaño molecular, capaz de construir nuevos materiales átomo a átomo. Su unidad de medida, el nanómetro, es la milmillonésima parte de un metro, 10 -9 metros. Algunos de estos dispositivos se utilizan en la actualidad, como por ejemplo los nanotubos, pequeñas tuberías conformadas con átomos de carbono puro para diseñar todo tipo de ingenios de tamaño nanoscópico. Los nanomateriales son materiales a nanoescala. Materiales con características estructurales de una dimensión entre 1-100 nanometros, pueden ser clasificados en nanopartículas, nanocapas y nanocompuestos. El enfoque de los nanomateriales es una aproximación desde abajo hacia arriba a las estructuras y efectos funcionales de forma que la construcción de bloques de materiales son diseñados y ensamblados de forma controlada. Muchos de estos avances los están llevando a cabo empresas norteamericanas pequeñas y medianas en colaboración con empresas líderes. Existen tres categorías básicas de nanomateriales desde el punto de vista comercial y desarrollo: óxidos metálicos, nanoarcillas (para reforzar plásticos) y nanotubos de carbono (para agregar conductividad a varios materiales). Los que más han avanzado desde el punto de vista comercial son las nanopartículas de óxido metálico. Los metamateriales, material que obtiene sus propiedades de su estructura y no de su composición: es decir, son compuestos ordenados cuyas propiedades físicas son distintas a las de sus constituyentes. Este término se utiliza, sobre todo, cuando el material al que se hace referencia tiene propiedades que no se encuentran en materiales presentes en la naturaleza. Dentro del electromagnetismo se suele identificar con tal nombre a aquellos que presentan coeficientes de refracción negativos (metamateriales "doble negativos" o "zurdos"). Algunos de ellos se fabrican con técnicas de nanotecnología similares a las que se usan para fabricar micromáquinas y circuitos integrados. Una ventaja de estos metamateriales es que con ellos se podrían fabricar lentes planas que permitirían enfocar la luz en áreas más pequeñas que la longitud de onda de la luz, con lo que podrían conseguirse aplicaciones en el terreno de la óptica o de las comunicaciones totalmente inéditas. Una de estas posibles aplicaciones serían los ordenadores ópticos, muchísimo más potentes y rápidos que los actuales, aunque su desarrollo se encuentra todavía en una fase muy preliminar. Los materiales inteligentes revolucionarán la forma de concebir la síntesis de materiales, puesto que serán diseñados para responder a estímulos externos, extender su vida útil, ahorrar energía o simplemente ajustarse para ser más confortables al ser humano. Así, las investigaciones en nanomateriales permitirán en el futuro, por ejemplo, sistemas de liberación de fármacos ultra-precisos, nanomáquinas para microfabricación, dispositivos nanoelectrónicos, tamices moleculares ultra-selectivos y nanomateriales para vehículos de altas prestaciones. Los materiales inteligentes podrán replicarse y repararse así mismos, e incluso, si fuera necesario, autodestruirse, reduciéndose con ello los residuos y aumentando su eficiencia. Entre los materiales inteligentes que se están investigando se encuentran los músculos art ificiales o los materiales que "sienten" sus propias fracturas. Por su parte, los materiales biocinéticas buscan replicar o "mimetizar" los procesos y materiales biológicos, tanto orgánicos como inorgánicos. Los investigadores que trabajan en este tipo de materiales persiguen un mejor conocimiento de los procesos utilizados por los organismos vivos para sintetizar minerales y materiales compuestos, de manera que puedan desarrollarse, por ejemplo, materiales ultraduros y, a la vez, ultraligeros. Los materiales invisibles: son especies y subespecies de materiales que no están a la vista, pero que constituyen la esencia de multitud de dispositivos y productos que cada vez nos parecen más indispensables. Su utilidad reside no tanto en sus propiedades mecánicas como en sus propiedades químicas, magnéticas, ópticas o electrónicas. Aunque representen una pequeña parte de los dispositivos en los que actúan, cumplen en ellos un papel estelar. Entre estos materiales invisibles, destacan los empleados en las baterías, en las pantallas planas de ordenadores, teléfonos móviles, paneles electrónicos y otros dispositivos, o en las películas sensibles a los rayos-X.
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