Construcción Oreo: ocultar sus componentes dentro de la PCB

En los últimos meses, la capacidad de ocultar componentes dentro de una placa de circuito se ha convertido en un tema de interés. Podríamos rastrear esto hasta el floreciente movimiento badgelife, donde los ingenieros crean hermosas obras de arte electrónico. También podemos atribuir este interés al Big Hack de Bloomberg, donde Jordan Robertson y Michael Riley afirmaron que Apple era el objetivo del espionaje chino utilizando componentes integrados dentro de una placa base. La historia de Big Hack tenía piernas, pero hasta ahora no ha salido a la luz ninguna evidencia de la existencia de este hack, y las empresas y los gobiernos involucrados han negado que exista algo así.

Dicho esto, incrustar componentes dentro de una PCB es un tema de discusión interesante y, gracias a la caída de los precios de fabricación de PCB (este proyecto completo costó $ 15 para las placas de circuito), ahora es posible que los aficionados experimenten con la técnica.

Pero primero, es importante definir cómo se llama realmente 'rellenar componentes dentro de una pieza de fibra de vidrio'. Mi investigación sigue regresando al término 'componentes incrustados', que es completamente imposible de googlear y un nombre verdaderamente terrible porque 'incrustado' significa algo completamente diferente. No se puede llamar a una técnica de fabricación de PCB "componentes integrados" y esperar que la gente la encuentre en Internet. A falta de un término mejor, llamo a esto 'construcción de Oreo', debido a mi predilección por las 'cosas', y porque necesita llamarse de alguna manera. Todos lo llamamos 'construcción de Oreo' ahora, porque el material está en el medio. Así es como lo hace con herramientas de diseño de PCB estándar y casas de placas chinas baratas.

La inspiración inmediata para esta construcción proviene de designer2k2 y un adorno navideño de paquete plano. Este proyecto usó pines almenados y una serie de orificios para montar piezas SMD en el lateral de una PCB en lugar de en la parte superior o inferior. Mientras que soldar componentes electrónicos al costado de una PCB es algo novedoso, montar componentes electrónicos al costado de una PCB no es nada nuevo. Lumen Electronic Jewelry está produciendo un pin de 'corazón' de PCB (derecha) con un condensador y un puerto USB montado dentro de un corte en la capa de fresado de una PCB. Asimismo, otros proyectos de PCB, en su mayoría tarjetas de presentación de PCB, han experimentado con el montaje de otros componentes en un corte en la capa de fresado. He visto soportes de batería de celda de moneda que usan recortes de PCB con dos 'lengüetas' que capturan una batería entre fibra de vidrio.

La idea de incrustar componentes dentro de una pila de fibra de vidrio y cobre es algo que realmente no hemos visto antes en el mundo de los aficionados a pequeña escala, pero se puede hacer. Los componentes integrados (otra vez ese término que no se puede buscar en Google) se pueden hacer en productos muy caros. Las razones para hacer esto van desde ahorrar espacio físico, mejorar el blindaje EMI y hacer algo más difícil de aplicar ingeniería inversa. Esta es una técnica para componentes militares y aeroespaciales, donde el precio no es un problema.

Las placas para trabajos militares y aeroespaciales son una cosa, pero el año pasado se discutió mucho sobre los componentes integrados, aunque por razones equivocadas. Big Hack de Bloomberg fue una historia sobre las placas base Supermicro enviadas a Apple y Amazon que tenían componentes adicionales que brindaban a los piratas informáticos chinos una puerta trasera. Esta historia fue muy criticada, Apple y Amazon han negado fervientemente haber encontrado placas base comprometidas, y en cualquier momento espero que Supermicro presente una demanda en un caso de difamación. Sin embargo, esta historia generó mucha discusión sobre cómo podría ocurrir tal pirateo. Las mentes más importantes de Twitterverse creen que esto podría lograrse incorporando un pequeño microcontrolador dentro de la PCB de la placa base, entre el controlador de administración de la placa base y su memoria Flash. Este pequeño microcontrolador atrapado entre unas pocas capas de PCB podría, en teoría, cambiar algunos bits del Flash de BMC para dar a los atacantes una puerta trasera, y Trammel Hudson dio una charla interesante en CCC discutiendo la teoría de la operación de este hack ficticio. Está dentro del ámbito de la posibilidad, pero el dinero inteligente dice que esto no sucedió con las placas base Supermicro enviadas a Amazon o Google. En cualquier caso, la inspección por rayos X o incluso una prueba de sonda voladora revelaría que había algún "componente incrustado" en la PCB.

Para esta construcción, he ampliado ligeramente estas técnicas al unir mecánicamente las capas de PCB con soldadura. Esto fue hecho previamente por Voja Antonic y su trabajo en la construcción de recintos de FR4. Su enfoque fue crear una tira de cobre desnudo alrededor del perímetro de cada lado del recinto. Al montar estos lados del gabinete en el ángulo correcto, soldar los dos planos planos de PCB en una forma tridimensional es tan simple como pasar un soldador sobre el cobre expuesto en el perímetro.

Cada PCB en el stackup tiene cobre expuesto a lo largo del perímetro. Al aplicar pasta de soldar y sujetar las placas juntas, se lee el reflujo.

Usé cinta Kapton como método de sujeción, ya que no tendrá problemas para resistir el calor del horno. Después de hornearlo, todo lo que necesita es papel de lija para limpiar los bordes.

El circuito para esta construcción es un pedal de guitarra. Más específicamente, es una ligera modificación de un Dallas Rangemaster, con el esquema real tomado de Fuzz Central (RangeBlaster). Hay varias razones para demostrar esta técnica de PCB en la forma de un pedal de guitarra y para usar un circuito Rangemaster en particular.

El circuito Rangemaster en particular fue elegido porque es un circuito muy simple. Es solo un transistor de germanio y un puñado de resistencias y tapas. Mi elección de poner un circuito Rangemaster dentro de una PCB se basa simplemente en el número de componentes; es el circuito más simple que hace algo. En cuanto a demostrar esta técnica en un pedal de guitarra, tengo razones mucho más siniestras. El mercado de los pedales de guitarra tiene incluso menos sentido que el mercado de los audiófilos. Si se te ocurre un circuito y lo recubres con epoxi, acabas de hacer un pedal de mil dólares. No, eso no es una broma. Simplemente estoy capitalizando la credulidad de los consumidores con un proceso de fabricación interesante.

La base del circuito es exactamente lo que esperarías de un pedal de guitarra: hay un interruptor de pie 3PDT, un par de conectores de 1/4″, un conector de CC de 2,1 mm (negativo central, porque Boss) y un potenciómetro de montaje en PCB estándar 10k, reducción de audio. La parte activa del circuito es un transistor OC44 antiguo en un paquete TO-5. Estos son los únicos componentes visibles en la PCB terminada.

Esta placa de circuito se construyó primero colocando los componentes del orificio pasante en lugares lógicos y luego colocando los componentes de montaje en superficie en los lugares que tenían sentido. Nuevamente, este es un circuito extremadamente simple con menos de una docena de partes, en el esquema. Una vez hecho esto, solo era cuestión de copiar la placa de circuito impreso en un archivo nuevo y agregar recortes alrededor de las piezas. Este tablero se hizo en Eagle, lo que me dio la posibilidad de agregar muchas capas al tablero que luego podrían agregarse al administrador de CAM para crear los Gerbers.

El verdadero "truco" con esta técnica es encapsular los componentes dentro de una placa de circuito impreso. Si bien esto se puede hacer con un grosor de PCB estándar de 1,6 mm por capa (se requieren tres capas para la encapsulación completa, lo que da como resultado un grosor final de 4,8 mm), utilicé PCB de 0,6 mm de grosor para las capas superior e inferior. Esto resultó en un espesor final de 2,8 mm. Esto es lo suficientemente delgado como para que la pieza ensamblada no se registre en su mente como una pila de PCB. Es lo suficientemente delgado como para creer fácilmente que se trata de una placa de circuito impreso normal.

Es fácil crear una placa de circuito impreso, y si sabe lo que puede hacer su casa de placas, es fácil crear recortes internos en una placa. No hay absolutamente nada nuevo en las mil palabras anteriores. El truco de la construcción de Oreo es unir mecánicamente las capas. Esto se podía hacer con pegamentos y resinas, pero tomando una página del trabajo de Voja, decidí usar soldadura para unir una capa de PCB a otra. Esto se hizo mediante un rastro de cobre alrededor del perímetro, desconectado de cualquier plano de tierra o vertido.

El proceso de ensamblaje es tan simple como poblar y soldar la placa de la capa inferior con componentes de montaje superficial, preferiblemente con pasta de soldadura sin plomo. Luego, se aplica pasta de soldadura con plomo a las huellas perimetrales, las placas se unen con abrazaderas y todo el ensamblaje se arroja al horno de reflujo. Después de eso, es simplemente una cuestión de rellenar los componentes del orificio pasante.

Hay otras ideas que consideré para conectar estos diferentes PCB juntos. Podría 'unirlos' con vías y orificios pasantes, usando pequeños trozos de alambre para alinear y unir mecánicamente cada capa con soldadura.

Si bien puede incorporar condensadores, resistencias y microcontroladores dentro de una pila de PCB, existen limitaciones. En primer lugar, el circuito clon Rangemaster requiere condensadores de 47 μF. Este valor es demasiado grande para tapas SMD pequeñas, y las tapas (físicamente) más pequeñas que puedo encontrar con este valor tienen un grosor del orden de 10 mm. A menos que desee una placa de circuito de media pulgada de grosor, estas tapas son demasiado grandes. La solución para este problema es agregar muchas mayúsculas en paralelo.

Esto lleva a otro problema. El circuito original usaba condensadores electrolíticos, no pequeños condensadores cerámicos. Debido a que estoy usando arreglos de tapas de cerámica, la capacitancia real es menor que la suma de todas las capacitancias en el arreglo. Los condensadores MLCC deben reducirse cuando están polarizados (como lo están cuando se usan como tapa de derivación), y el condensador que 'construí' no tiene el valor correcto en el circuito. Sí, la capacitancia de los capacitores cerámicos depende de su voltaje, pero puede ayudar a solucionar esto simplemente agregando aún más capacitores.

Además, ningún proyecto que utilice esta técnica podrá utilizar piezas grandes. Si tiene un proyecto con una fuente de alimentación de refuerzo pequeña, probablemente tenga un inductor relativamente grande. Los inductores de una clasificación suficiente para una fuente de alimentación robusta serán demasiado altos para incrustarlos en una sola capa de FR4. Lo mismo ocurre con los componentes que manejan alta potencia, ya que suelen ser físicamente grandes y deben disipar el calor, lo cual es un problema para un componente que está efectivamente atrapado dentro de una caja de fibra de vidrio.

A pesar de los problemas, esta es una técnica interesante de fabricación de PCB. Combinado con la caída de los precios de los PCB hechos a la medida (las placas para todo este proyecto cuestan menos de $15 USD en total), esperaría ver a muchos artesanos de PCB aprendiendo esta técnica.

Este proyecto fue solo una demostración de lo que es posible con la construcción de Oreo, pero dados los enormes avances en los PCB artísticos, esto no es de ninguna manera el límite de lo que es posible. Dado que ahora estamos en la era dorada de los LED de montaje inverso, es posible encapsular el controlador y los LED de una matriz gigantesca dentro de fibra de vidrio. Con la construcción de Oreo, una PCB completa podría ser solo un bloque de fibra de vidrio cuando está apagada y un rectángulo brillante cuando está encendida.

Si te preguntas cómo suena este pedal de guitarra de construcción Oreo, bueno, es un amplificador de agudos Rangemaster. El trabajo de guitarra de Brian May para Queen sería el ejemplo más popular, pero Brian May es demasiado único para tener una idea real de cómo suena. Un mejor ejemplo sería Tony Iommi de Black Sabbath, algo de los dos primeros discos de Zeppelin, o Clapton en el disco de Blues Breakers. Eso es mucho territorio sónico, pero esta es una mejor demostración de un Rangemaster que cualquier cosa que pueda producir. En cualquier caso, la idea detrás de esto era construir el circuito más simple posible dentro de una PCB, no hacer nada sofisticado. Un Rangemaster es un transistor, así que eso es lo que construí.