Materiales base de PCB, de FR-4 a Rogers y flexible

El material base de una placa de circuito impreso (PCB) es la capa aislante (el dieléctrico) que sostiene el cobre. Decide cuánto calor soporta la placa, a qué velocidad viajan las señales por ella, cómo disipa el calor y si se dobla. La mayoría de las placas utiliza el mismo material; usted solo necesita otro por un motivo concreto.

Qué es un laminado

Una placa rígida parte de un laminado: una lámina de material aislante con lámina de cobre adherida a una o a ambas caras. El aislante suele ser fibra de vidrio tejida empapada en resina y curada. Las capas de una placa multicapa se mantienen unidas mediante prepreg, tejido de vidrio con resina parcialmente curada que se funde y se adhiere durante la laminación. Tres cifras describen un laminado para la mayoría de los fines:

1. Lámina de cobre, adherida a la cara.
2. Resina: el epoxi curado que lo mantiene todo unido y aísla.
3. Tejido de vidrio: los óvalos son haces de fibra cortados en transversal, y la hebra ondulada va en longitudinal. Aporta resistencia y un espesor estable.
4. Cobre en la otra cara. Un núcleo tiene lámina en ambas caras, y el patrón de cobre se graba a partir de ella después.

• Tg (temperatura de transición vítrea). La temperatura a la que la resina pasa de rígida a blanda. Por encima de la Tg, la placa se expande mucho más rápido y somete a tensión los agujeros y la metalización.
• Dk (constante dieléctrica) y Df (factor de disipación). Con qué intensidad afecta el material a las señales eléctricas y cuánta energía de la señal absorbe. Importan a altas frecuencias y para el control de impedancia.
• Conductividad térmica. Cómo fluye el calor a través del dieléctrico.

FR-4

FR-4 es el nombre habitual del laminado epoxi reforzado con vidrio con un aditivo ignífugo. Es económico, resistente, fácil de procesar y suficiente para la mayoría de la electrónica. Su Dk es normalmente de aprox. 4 a 4,6, según el contenido de resina y la frecuencia, y varía de un lote a otro y entre fabricantes, por lo que un diseñador que necesita un valor preciso lo pide a partir del apilado (stack-up).

El FR-4 se presenta en grados, principalmente por su Tg:

La soldadura sin plomo se funde a una temperatura más alta que la soldadura de estaño-plomo, y la placa pasa por el horno a la temperatura más alta, a veces dos veces. Las placas con muchas capas, las placas gruesas y las placas que se van a retrabajar se benefician de una Tg más alta. Una cifra relacionada, Td (temperatura de descomposición), indica cuándo la resina empieza a perder masa, y es otro motivo para elegir un grado mejor para un servicio exigente.

Por encima de su Tg, la resina se ablanda y la placa se expande mucho más rápido. El dibujo compara dos grados.

1. La Tg de un grado más bajo: por encima de esta temperatura, la placa crece mucho más rápido.
2. La Tg de un grado más alto: la placa se mantiene rígida hasta una temperatura más alta.

Se venden otras variantes de FR-4: versiones sin halógenos para los mercados que las piden, y grados con una mejor resistencia a los filamentos anódicos conductores (un fallo lento dentro de la placa). Pídalas cuando su producto las necesite.

Placas de núcleo metálico (aluminio y cobre)

Una placa de núcleo metálico adhiere una capa fina de circuito de cobre, a través de una capa aislante fina, a una base metálica, normalmente aluminio y a veces cobre. El objetivo es el calor: la capa aislante está hecha para conducir el calor mucho mejor que el FR-4, y el metal lo extiende. Los usuarios típicos son la iluminación LED y la conversión de potencia.

Aspectos que debe conocer:

• La mayoría es de una sola cara; existen versiones de doble cara y multicapa y cuestan más.
• La conductividad térmica de la capa dieléctrica varía mucho entre grados, por lo que merece la pena pedir la cifra de la hoja de datos.
• El aluminio se expande de forma distinta a las piezas que lleva, lo que puede someter a tensión piezas cerámicas grandes y juntas de soldadura bajo ciclos de temperatura.
• Taladrar y fresar una placa metálica es más lento y la placa es más pesada. Pregunte por los límites.

Laminados de alta frecuencia (Rogers, PTFE y otros)

A frecuencias de radio y microondas, el FR-4 estándar pierde demasiada señal, y su Dk varía demasiado. Los laminados especiales tienen un Dk más bajo y más estable y un Df mucho más bajo. Se dividen en dos grupos: con base de PTFE (tipo Teflon) y materiales hidrocarbonados con carga cerámica o similares. Rogers Corporation es un fabricante conocido; otros fabricantes venden equivalentes. Los valores de Dk van de aprox. 2 a 10 entre las familias, por lo que la elección sigue al diseño.

Aspectos prácticos:

• Son más caros por superficie que el FR-4.
• Pueden necesitar un procesamiento especial, ya que el PTFE es blando y resbaladizo.
• Muchos diseños utilizan un híbrido: una capa fina de alta frecuencia para la parte de radio y FR-4 para el resto, lo que reduce el coste pero necesita un apilado (stack-up) que funcione para la fábrica.
• Pregunte a la fábrica qué marcas y espesores puede suministrar antes de diseñar la placa en torno a uno.

Rara vez necesita estos materiales por debajo de 1 GHz. Entre 1 y unos pocos gigahercios, un diseño cuidadoso en FR-4 funciona para muchos productos; por encima de eso, o cuando las pérdidas importan, un laminado mejor se convierte en la elección adecuada.

Placas flexibles y rígido-flexibles

Una placa flexible se fabrica sobre película de poliimida, no sobre fibra de vidrio. Se dobla, y puede plegarse una vez para encajar, o doblarse una y otra vez en una pieza móvil. Los dos usos son distintos: un doblado hecho una vez es un doblado estático, el doblado repetido es un doblado dinámico, y las reglas de diseño (tipo de cobre, radio de doblado, trazado de pistas) no son las mismas. El rígido-flexible combina secciones rígidas y conexiones flexibles en una sola pieza.

Aspectos que debe recordar:

• Flex necesita un radio de doblado que depende de su espesor; los diseñadores utilizan un múltiplo del espesor total, con múltiplos mayores para más capas y para uso dinámico.
• Se añaden refuerzos (material rígido adicional adherido detrás de las zonas de conectores) donde se montan piezas o donde se enchufa un conector.
• Flex y rígido-flexible cuestan mucho más por superficie que el FR-4.
• Flex absorbe humedad y debe secarse antes del montaje.

1. FR-4: cobre, un núcleo rígido de tejido de vidrio en resina (las franjas), cobre.
2. Núcleo metálico: un circuito de cobre, una capa aislante fina y después una base metálica gruesa.
3. Flex: una película fina con cobre sobre ella. Se dobla en lugar de quedarse plana.
4. El calor de una pieza en una placa de núcleo metálico baja a través del aislante fino hasta la base.

Cómo elegir

1. Empiece con FR-4. Elija la Tg a partir del proceso de soldadura y el número de capas.
2. Elija un núcleo metálico cuando el calor de unas pocas piezas sea el problema, y saque el calor a través de la placa.
3. Elija un laminado de alta frecuencia cuando las pérdidas o un Dk estable determinen el rendimiento, normalmente para radio.
4. Elija flex cuando el producto se mueva o deba adaptarse a una forma que una placa rígida no puede.
5. En caso de duda, pregunte a la fábrica antes de diseñar la placa en torno a un material.

Cómo se muestra esto cuando usted pide aquí

Los materiales, espesores y procesos especiales ofrecidos figuran en la página de capacidades, y la lista en vigor es la lista que cuenta. La fábrica trabaja con FR-4, aluminio, cobre y sustratos flexibles, y con materiales de Tg alta, sin halógenos y de alta frecuencia. Cuáles de estos puede pedir a través del sitio lo establece la página de capacidades, y un ingeniero confirma cada pedido. Los apilados (stack-up) y la impedancia se tratan en Peso de cobre, apilados (stack-up) e impedancia.