Cómo construir hermosas carcasas a partir de FR4, también conocidos como PCB

May 24, 2023

La mayoría de los aficionados dicen que es más fácil construir un prototipo funcional de un dispositivo electrónico que fabricar su carcasa. Se podría decir que hay muchos recintos prefabricados en el mercado, pero nunca son exactamente lo que necesitas. También se podría utilizar una impresora 3D para construir una carcasa personalizada, pero las impresoras 3D de alta gama son demasiado caras y las más baratas producen carcasas que a menudo no son lo suficientemente robustas y también requieren mucho tratamiento adicional.

Otra forma es construir la carcasa con FR4, un material que se utiliza habitualmente en la producción de PCB. Estos recintos son de bajo costo, con paredes delgadas pero muy fuertes, de apariencia agradable, agradables al tacto y tienen una excelente estabilidad térmica y a la humedad. FR4 ofrece algunas posibilidades más: cableado eficiente sin cables dentro de la carcasa, antenas UHF o SHF integradas o bobinas RFID, interruptores capacitivos, blindaje eléctrico, semitransparencia selectiva, estanqueidad al agua o al aire e incluso integración de conjuntos mecánicos complejos.

Aquí explicaré el proceso de construcción de esos recintos “mágicos”. Se basa en casi cincuenta años de experiencia personal y más de cien recintos, construidos para la mayoría de mis proyectos. Aquí hay dos ejemplos: este estuche para un administrador de contraseñas de hardware tiene solo unos pocos centímetros de largo, mientras que el otro (cubierta protectora de transporte para el sintetizador de mi hijo) mide 125 cm (aproximadamente 49 pulgadas) y, sin embargo, ambos son lo suficientemente fuertes como para resistir. un hombre adulto parado encima de ellos.

El enfoque global es simple: se toma la lámina de FR4 revestida de cobre por una cara, se corta y se sueldan las piezas. Suena simple, pero hay muchos detalles que deben cumplirse si desea obtener los mejores resultados. Por favor lea sobre ellos atentamente. Es posible que tenga la tentación de omitir algunos de los pasos que se describen aquí, pero si lo hace, lo más probable es que termine decepcionado con los resultados.

Existen varios conceptos generales de diseño para armarios fabricados en FR4. El primero utiliza el PCB principal, con todos los componentes electrónicos, como base mecánica sobre la que se soldarán cuatro paredes. Por lo general, primero se deben soldar todos los componentes electrónicos, luego se prueba la PCB y finalmente se sueldan las paredes.

La PCB principal debe tener un área de cobre de aproximadamente 4 mm de ancho a lo largo de todos sus bordes y almohadillas grandes para los espaciadores. Las cubiertas superior e inferior son muy simples y no necesitan áreas de cobre, por lo que también puedes usar acrílico, aluminio, plástico, etc. Este concepto es adecuado para proyectos simples, que contienen solo una PCB. No es aconsejable para cerramientos gruesos, ya que resultaría incómodo para el mantenimiento.

Existe otro enfoque que es adecuado para dispositivos más grandes y complejos, ya que hay mucho espacio libre que se puede organizar según los requisitos del proyecto.

Debe dejar áreas de cobre para soldar las tuercas de los tornillos, pero no las suelde antes de que todo el gabinete esté terminado. Una vez finalizado el trabajo, puedes cerrarlo y perforar los agujeros en las paredes interiores, para que encajen perfectamente con los agujeros exteriores. Luego puedes soldar tuercas usando mucho fundente.

Tenga en cuenta que no todas las tuercas son fáciles de soldar, por lo que necesitará experimentar un poco. En mi experiencia, las tuercas para tornillos de latón niquelado son las mejores en este sentido, pero a veces pueden ser difíciles de conseguir. Por eso utilizo espaciadores M3x5 mm (pero no los de aluminio), que son muy fáciles de soldar.

Si desea hacer un gabinete sin tornillos, puede usar la fricción para mantener dos subconjuntos firmemente juntos. Termine primero la parte superior (exterior) del gabinete y luego ajuste las posiciones de las paredes interiores en la cubierta inferior. Las paredes exteriores siempre estarán ligeramente inclinadas hacia el centro (el motivo se explicará más adelante) y crearán cierta fricción al cerrar la caja.

Para ajustar la tensión, suelde las paredes interiores a la placa inferior, pero solo en el punto central, tratando de mantener el ángulo recto entre las paredes y la placa inferior. Luego intenta poner la cubierta superior. Puede que quede demasiado flojo o demasiado apretado, por lo que tendrás que ajustar la posición correcta para lograr un ajuste perfecto. Repita esto para paredes más cortas y luego suelde la longitud de las paredes a la placa inferior y entre sí. También debes raspar los bordes de conexión de las paredes interiores, para dejar espacio para la soldadura que mantiene unidas las paredes exteriores.

La unión más estrecha entre las paredes interior y exterior debe estar en el centro de las paredes, con la posibilidad de que haya un espacio cerca de los bordes, por lo que las paredes interiores deben estar ligeramente curvadas, como se muestra en la imagen central de arriba.

Generalmente, todas las placas deben estar hechas de FR4 de una cara, pero en algunos casos especiales necesitarás dos caras. Intente encontrar la pared de doble cara en el dibujo que se muestra a la derecha en la galería de arriba.

Estos eran conceptos generales, pero todas las combinaciones también son posibles. Pronto veremos que algunas aplicaciones son tan complejas que resulta difícil clasificarlas.

Aunque es posible construir la carcasa utilizable sin grabar cobre, se recomienda encarecidamente grabar todas las placas y dejar sólo las zonas (de unos 4 mm de ancho) que se soldarán. Esto traerá muchas ventajas. Primero, es mucho más fácil soldar las áreas estrechas de cobre, cuando el cobre circundante no consume mucho calor, por lo que el riesgo de sobrecalentar y dañar la base FR4 es mucho menor. En segundo lugar, obtendrá un interior más ordenado. Además, si no hay cobre desnudo, no se producirá corrosión. El peligro de cortocircuito es menor, etc.

Si existe una demanda de una carcasa blindada, para aplicaciones de HF o un área protegida contra la luz, se recomienda este patrón. La única desventaja del grabado es que debes planificar todos los detalles al diseñar el recinto, ya que no se puede deshacer después del grabado. Si omite alguna área que debería usarse para soldar, no podrá agregar la capa de cobre más adelante.

Tómese un tiempo para diseñar el recinto con cuidado, ya que cada error de cálculo en este paso puede arruinar su esfuerzo. Cuida bien qué pieza se superpondrá con otra, ya que afectará la posición de las trazas de cobre. Para las dimensiones de las placas superpuestas se debe tener en cuenta el espesor del FR4 utilizado.

Utilice algún programa CAD o dibuje todo el recinto con bolígrafos de colores. Servirá como referencia útil al cortar y ensamblar las piezas. Es una buena práctica construir un recinto al menos unos milímetros más grande de lo planeado al principio. En la mayoría de los casos, dará sus frutos más adelante; no importa con qué cuidado mida y planifique, tarde o temprano necesitará algo de espacio adicional.

Hay un total de 10 hojas aquí. Dibujar detalladamente cada uno de ellos, incluyendo las posiciones grabadas en el cobre y todas las dimensiones, o al menos las que no están consideradas.

Si tiene la suerte de tener una cortadora CNC, úsela para cortar piezas FR4. Cualquier cortadora mecánica o de chorro de agua funcionará, pero no utilices una cortadora láser, ya que el reflejo de la superficie de cobre puede dañarla. De lo contrario, puedes utilizar algunas herramientas manuales, como un marco de sierra de calar. También se puede utilizar un cortador de cuchilla de seguridad para cortar líneas rectas, pero la exigencia de fuerza y ​​​​precisión significativas puede resultar frustrante si no se tiene suficiente experiencia.

Pruébelo, simplemente presione firmemente una regla de metal con una mano, tome la cuchilla de seguridad con la otra y haga un corte en V. Debes hacer entre 5 y 10 pasadas con la cuchilla a cada lado del FR4, comenzando ligeramente hasta lograr un buen rasguño, y luego aumentar la presión hasta usar toda la fuerza que puedas. Primero haga el corte en V en el lado de cobre, ya que FR4 es lo suficientemente transparente como para permitirle ver la línea en el otro lado, de modo que pueda alinear ambos cortes en V con precisión.

Si la hoja está lo suficientemente afilada y aplicas mucha fuerza, las ranuras en ambos lados serán lo suficientemente profundas y, si están bien alineadas, será fácil romper la hoja con la mano. La línea de corte será áspera, por lo que deberás tratarla con la escofina fina.

Por supuesto, no se pueden cortar líneas curvas e interiores con un cortador de hoja de seguridad, por lo que en ese caso hay que utilizar el marco de la sierra de calar.

Verifique las dimensiones cuidadosamente después de cada paso y haga todo lo posible para obtener dimensiones lo más precisas posible (intente limitar el error a menos de medio milímetro). Después del corte y tratamiento, lave el lado de cobre con un poco de detergente en polvo, lo suficientemente abrasivo para limpiar la superficie pero sin dañarla.

Nota: FR4 está hecho de una estera de fibra de vidrio impregnada con resina epoxi. Las pequeñas partículas de vidrio que se liberan durante el tratamiento pueden causar irritación temporal de la piel en quienes tienen la piel sensible. En ese caso, utilice guantes protectores y lávese las manos hasta los codos después del trabajo.

El objetivo de este paso es crear la máscara para el grabado en cobre. También se puede aplicar el proceso fotorresistente, pero resulta mucho más económico y sencillo utilizar cualquier tipo de laminado autoadhesivo, preferiblemente transparente.

Cuando las piezas de FR4 estén secas y limpias, pegar las láminas de laminado por el lado de cobre, evitando burbujas y suciedad. Utilice un marcador permanente superfino para dibujar todas las líneas con precisión en el laminado, según el dibujo mencionado anteriormente en Conceptos de diseño y utilice el cortador de cuchilla de seguridad o el cúter para cortar el laminado. Despegue todas las áreas que deban quedar desprotegidas durante el grabado.

Utilice una solución de cloruro férrico para grabar la capa de cobre. Este proceso es bien conocido por todos los aficionados que fabrican sus propias placas de circuito impreso. Después del grabado, retire el laminado y lave todas las piezas con detergente en polvo.

Aguante la respiración, este es un paso crucial. Todas las superficies de cobre deben estañarse antes de la soldadura final; use mucho fundente, ya que mucho fundente significa una buena unión, y una buena unión es lo que necesitamos aquí. No intente realizar la soldadura final sin estañar, ya que podría resultar en una unión deficiente, dañar la base FR4 y reducir su capacidad para mantener las posiciones exactas en el proceso de ensamblaje.

Es difícil garantizar la alineación en todos los ejes (X, Y y dos ángulos) mientras se sueldan placas FR4 pero, si sigue el procedimiento, puede ajustar un parámetro a la vez.

Primero, ocúpese únicamente de la posición X (flecha negra) e ignore la precisión de todas las demás. Suelde dos placas en un punto, cerca de uno de los bordes.

A continuación, puede ajustar la posición YB en el otro extremo de la línea de soldadura. FR4 es lo suficientemente elástico como para compensar la desalineación inicial, pero la posición X, que ya fue ajustada, permanecerá intacta.

Ahora es el momento de reajustar la posición YA en el primer punto, sin preocuparnos por las dos primeras posiciones sintonizadas (X e YB), ya que no hay forma de estropearlas más. Esto debería conducir a la perfecta alineación de toda la línea de soldadura.

Lo único que queda es el ángulo entre dos placas. Utilice una regla cuadrada o triangular como referencia, pero no ajuste el ángulo recto exacto entre las placas, sino que sea ligeramente obtuso. Puede ajustar los ángulos en cada borde por separado, especialmente si la placa es lo suficientemente larga como para permitir doblarse entre ellos.

Cuando todas las posiciones estén ajustadas y comprobadas, se pueden poner más puntos soldados entre placas, comprobando el ángulo de cada una de ellas. Para placas más cortas, debe estar en algún lugar en el medio, o cada 4-5 cm (1,5-2 pulgadas) si la línea de soldadura es más larga. Luego soldas toda la línea, pero intentas no fundir los puntos ya soldados, ya que podrías estropear el ángulo y la posición de la placa. Cuando hayas terminado, puedes regresar y soldar los puntos faltantes.

Mientras la soldadura se enfría, se encoge y tira de la placa superior unos dos grados, por lo que el ángulo final será cercano a los 90 grados. Si aún está obtuso, haz una pasada más con el soldador (sin aplicar fuerza), y mira como se encoge. Si es agudo, haz una pasada más, aplicando un poco de fuerza con la mano.

Aplicar el mismo proceso para todas las paredes. Después de eso, puedes soldar las paredes entre sí. En este paso, no puedes comenzar desde un ángulo obtuso, por lo que al final obtendrás ángulos ligeramente agudos. Puedes ignorar esto, o incluso usarlo para obtener una unión firme, como se mencionó anteriormente.

Tenga cuidado de no ser demasiado lento mientras suelda, ya que podría sobrecalentar el FR4, y sobre todo de no presionar demasiado el soldador. Esto deformará la base del FR4 o incluso despegará el cobre. FR4 es transparente, por lo que si ves las áreas blancas del otro lado en lugar de cobre marrón oscuro, puedes estar seguro de que el cobre está desprendido de la base. Puede resultar útil experimentar un poco con las piezas sobrantes del FR4. Si desea ver por sí mismo cuánto maltrato puede soportar el material, puede intentar romper las uniones con las manos después de realizar una soldadura adecuada, o incluso probar las uniones donde usó muy poca o demasiada soldadura, o donde sostuvo la soldadura. Planchar demasiado tiempo o presionar demasiado fuerte.

También puede resultar útil fabricar una herramienta de madera especial para el montaje. Probablemente te hagas una idea de este dibujo. Las uniones soldadas serán aún más fuertes si las placas se mantienen a unos 45° con respecto al plano horizontal, de modo que el estaño fundido se conecte a ambos paneles por igual.

Cuando se complete el ensamblaje, use una escofina para procesar todos los bordes y luego púlelos con papel de lija fino. Lave el lado interior con alcohol para eliminar todos los restos del núcleo de colofonia y el fundente, si lo usó. En el último paso, lava todo el recinto con detergente y mucha agua, sécalo y disfruta de los frutos de tu trabajo. Si seguiste todos los pasos cuidadosamente, tendrás una buena razón para sentirte orgulloso.

Cortar, laminar y grabar son las partes más difíciles del proceso, así que ¿por qué no pedir todas las hojas a su proveedor de PCB? Por supuesto que puedes hacerlo, si no te importa el precio. En algunos casos (para la creación de prototipos y la producción a muy pequeña escala), el precio final de la unidad podría justificar el coste de los PCB. Suena como un sueño hecho realidad: evite la peor parte del trabajo y obtenga todas las piezas con perfecta precisión, pintura resistente y letras y letreros superpuestos. Este es uno de esos proyectos.

También puedes hacer los conductores impresos dentro de las paredes del recinto, por lo que tendrás incluso un cableado complejo sin cables. Esto, por supuesto, requiere una planificación cuidadosa durante el proceso de diseño. Aquí se muestra parte de un recinto en el que se utilizan capas de cobre tanto para el subconjunto mecánico como para la interconexión eléctrica.

También es fácil implementar interruptores capacitivos, acopladores inductivos, interruptores de láminas, sensores de efecto Hall y antenas RFID, UHF o SHF en las paredes del gabinete. El cableado impreso para indicadores LED puede contener resistencias limitadoras de corriente SMD y almohadillas de soldadura que están cerca de los LED.

El cobre no es transparente, pero el FR4 tiene una transparencia difusa en las zonas grabadas. Algunas placas FR4 delgadas (0,8 o 1 mm) añaden un agradable tinte lechoso o amarillento que puede verse bien cuando se usan para indicadores LED, o incluso lámparas de noche o algunos dispositivos LED Art. Los siguientes ejemplos combinan paneles frontales transparentes con conductores que se implementan no sólo en trazas de cobre FR4, sino también en la cola de la cometa (que es un cable de CA) y palos negros (espaciadores M3 revestidos con tubos termorretráctiles). Los bordes negros son restos de cobre que quedan al soldar.

Desafortunadamente, la mayoría de los fabricantes colocan marcas de logotipos de colores en la base epoxi FR4. No hay forma de borrar la tinta, por lo que este material difícilmente se puede utilizar para este tipo de aplicaciones. Para empeorar las cosas, no hay forma de ver esas marcas antes de grabar el tablero. Sin embargo, algunas placas FR4 no tienen esas marcas y, con cierta suerte, puedes encontrarlas y comprarlas.

Los tableros FR4 se pueden doblar hasta cierto punto, por lo que se pueden utilizar para paredes suavemente curvadas. Aquí hay un reloj digital doblado como un panqueque, un homenaje al famoso cuadro de Salvador Dalí La persistencia de la memoria.

El tablero frontal está hecho de FR4 de 0,8 mm, que es bastante fácil de doblar. Las áreas de 7 segmentos se diseñaron en un programa CAD, utilizado para cortar laminado autoadhesivo para el proceso de grabado. Todas las demás tablas tienen un espesor de 1,5 mm.

Cuando suelde estas paredes curvas entre sí, tenga mucho cuidado de no sobrecalentar las tablas, especialmente si tienen 1 mm de espesor o menos. La tensión mecánica de la placa FR4 doblada la hace extremadamente vulnerable al sobrecalentamiento, e incluso la más mínima deformación es imposible de reparar. Debe fijar las placas en su posición y forma definitivas y soldarlas rápidamente.

Incluso es posible construir unidades mecánicas, posiblemente combinadas con algunas piezas prefabricadas de metal o plástico. Esto es particularmente válido para proyectos que contienen componentes tanto electrónicos como mecánicos, ya que permite la colocación eficiente de controladores y conectores cerca de motores y solenoides, sensores para la detección doméstica de piezas móviles, cableado mediante conductores impresos, fácil colocación de LED indicadores para depuración, integración de circuitos electrónicos en las paredes del recinto, etc.

A continuación se muestran algunos ejemplos de conjuntos de este tipo, que exploran muchas posibilidades de los recintos FR4.

El uso adecuado de FR4 puede mejorar enormemente los proyectos y hacer que parezcan productos de alta gama, incluso si se construyen en condiciones de aficionados. No debe descuidarse como material de construcción para proyectos de hobby o para producción a pequeña escala.

Por supuesto, la artesanía es de vital importancia, por lo que necesitarás algo de experiencia para obtener los mejores resultados. ¡No te rindas y pronto estarás orgulloso del aspecto de tus proyectos!

​​Voja Antonic trabaja como ingeniero de microcontroladores autónomo en Belgrado. Sus primeros proyectos de microprocesador, basado en el Z80, se remontan a 1977, pocos años después de la aparición del primer Intel 4004. Ensambló el firmware manualmente, con lápiz y papel. En 1983, publicó su proyecto original de microcomputadora de bricolaje llamado Galaksija, que fue construido por alrededor de 8000 entusiastas en la antigua Yugoslavia. Hasta la fecha ha publicado más de 50 proyectos, en su mayoría basados ​​en microcontroladores, y todos ellos son de dominio público.