Las placas de circuito impreso son tan buenas como los materiales utilizados en su fabricación. Por lo tanto, esto implica que el rendimiento y la funcionalidad de una placa de circuito impreso dependen del tipo de material con el que estén fabricadas. Con la creciente demanda de miniaturización de dispositivos y tecnología punta, es increíblemente importante elegir el tipo adecuado de material de placa de circuito impreso.
Existe una enorme variedad de materiales para placas de circuitos que pueden satisfacer sus requisitos de rendimiento. Los materiales de calidad para placas de circuitos no sólo ofrecen una gran funcionalidad, sino que también tienen una gran durabilidad. Además, la selección adecuada del material es una buena forma de empezar la fabricación de placas de circuito impreso. Asimismo, existen parámetros y factores que determinan el tipo de material que debe utilizar para su proyecto de PCB.
Esta completa guía le ayudará a descubrir la mejor calidad y los tipos más comunes de materiales para placas de circuito impreso.
¿De qué están hechas las placas de circuito impreso?
Seleccionar un material de placa requiere tener en cuenta ciertas cosas. Las placas de circuito impreso constan de algunas capas cruciales. ¿De qué están hechas realmente las placas de circuito impreso?
Capa de sustrato
La capa de sustrato es la base de la placa de circuito impreso. Suele estar fabricada con fibra de vidrio. La fibra de vidrio es un material muy rígido, por lo que ofrece rigidez a la placa de circuito impreso. Sin embargo, hay otros materiales que se utilizan como sustrato. Por ejemplo, epoxis, CEM-1, G-11, sustrato metálico aislado, FR-1 y poliimida. Los sustratos se fabrican especialmente para cumplir algunos requisitos, como la constante dieléctrica y la temperatura de transición vítrea. La fibra de vidrio, conocida popularmente como FR-4, es el material más utilizado para los sustratos.
Capa conductora
La capa de cobre es la capa conductora que forma las trazas de señal. Estas trazas de señal conducen la electricidad en el circuito. Además, el cobre es un material comúnmente utilizado para la capa conductora de una placa de circuito impreso. También pueden utilizarse otros materiales como el oro y la plata. Sin embargo, las capas conductoras de las placas de circuito impreso suelen ser de cobre. Esto se debe a que el cobre es un buen conductor de la electricidad.
Capa de máscara de soldadura
La máscara de soldadura está formada por una fina capa de polímero. Se encuentra encima del laminado revestido de cobre. Además, la máscara de soldadura confiere a la placa de circuito impreso el color verde. Esta capa evita la formación de puentes de soldadura, ayudando a los fabricantes de PCB a soldar las zonas adecuadas de la placa. Además, la máscara de soldadura evita que las trazas de cobre conductor entren en contacto con el metal, la soldadura y otros materiales conductores.
Capa serigráfica
La serigrafía es una tinta epoxi que suele imprimirse en la placa. También es un designador de referencia que indica dónde colocar los componentes en la placa de circuito. Además, ayuda a detectar algunos símbolos de advertencia. Una serigrafía ayuda a detectar las marcas del fabricante y los puntos de prueba. Además, la serigrafía suele ser de color blanco.
Tipos de materiales de sustrato de PCB
FR-4
FR4 es el material de sustrato de PCB más utilizado. Se trata de una lámina laminada de resina epoxi reforzada con vidrio. Además, el epoxi de este material es ignífugo y resistente al agua. FR-4″ significa simplemente nivel 4 de retardante de llama. Además, el FR-4 tiene una alta resistencia a la tracción y temperatura de transición vítrea. Por lo tanto, este sustrato puede alcanzar unos 1180oC. Además, este material es ideal para placas de circuito impreso rígidas.
FR-2
Este material de sustrato tiene el rendimiento más bajo. FR-2 significa nivel 2 de retardante de llama. Está compuesto de material fenólico. Además, el FR-2 se utiliza habitualmente en electrónica de consumo sencilla, como pequeñas radios de bajo coste.
FR-1
El FR-1 es ideal para placas de circuito impreso de una sola cara. Se trata de un material ignífugo de nivel 1 a base de papel. Es similar al FR-2, ya que ambos tienen propiedades idénticas. . Sin embargo, el FR-1 presenta un valor de temperatura más elevado.
Teflón (PTFE)
El teflón es un material extremadamente flexible que no ofrece resistencia y, como tal, es ideal para señales de alta velocidad. Además, el teflón es un tipo de plástico que presenta una gran resistencia mecánica, un alto grado de aislamiento y resistencia a las llamas.
Sustratos flexibles
Los sustratos flexibles son materiales plegables que pueden adoptar las formas deseadas. Además, estos sustratos permiten a los diseñadores crear placas de circuitos que caben en las carcasas más pequeñas. En lugar de utilizar resina epoxi o fibra de vidrio, los sustratos flexibles integran películas de plástico.
Estos sustratos suelen fabricarse con materiales como polímero de cristal líquido (LCP), poliimida y poliéster. Además, la poliimida es el material más utilizado para los sustratos flexibles.
Sustratos metálicos
Los sustratos metálicos suelen ser de aluminio. Ofrecen grandes propiedades térmicas y dieléctricas elevadas. Además, el aluminio puede soportar temperaturas de 350 grados centígrados. Estos sustratos ofrecen un rendimiento excepcional en alta frecuencia. Por lo tanto, es ideal para aplicaciones como estaciones base de comunicaciones inalámbricas, sector de RF e iluminación LED.
Otros tipos de materiales para sustratos de PCB
Además de los materiales mencionados anteriormente, existen otros tipos de materiales para sustratos de PCB.
Cerámica fina
Algunos ejemplos de cerámica fina son el nitruro de aluminio y el óxido de aluminio. La cerámica fina presenta una gran resistencia cuando se utiliza en entornos con altas temperaturas. Además, los compuestos cerámicos presentan un CTE bajo, una temperatura de descomposición alta y una temperatura de transición vítrea alta.
CEM1
El material epoxi compuesto 1 (CEM1) tiene un color blanquecino y suele integrarse en placas de circuitos impresos con una capa conductora. El CEM1 es un material intercalado entre sustancias fenólicas y una capa epoxi de fibra de vidrio. Además, el CEM1 presenta propiedades dieléctricas similares a las del FR-4. Sin embargo, este material es más barato que el FR-4.
LTCC
La cerámica cocida a baja temperatura (LTCC) se utiliza habitualmente para la fabricación de PCB multicapa. Además, este material para placas de circuito impreso se compone de óxido de aluminio quemado. Es posible quemar sustratos LTCC a temperaturas de unos 900oC simplemente añadiendo materiales de vidrio al óxido de aluminio. Además, los sustratos LTCC son ideales para módulos RF de alta frecuencia.
Tipos de material de máscara de soldadura
La máscara de soldadura es una capa crucial en una placa de circuito impreso. Protege la zona expuesta del cobre. Además, la máscara de soldadura suele ser de color verde. Sin embargo, existen otros colores como el blanco, el rojo, el amarillo y el azul. Existen diferentes tipos de materiales de máscara de soldadura en función de cómo se apliquen al cobre.
Líquido epoxi
Se trata de un epoxi termoendurecible que suele aplicarse mediante el método de serigrafía. El epoxi líquido no se suele utilizar debido a su baja resolución y precisión.
Película seca fotoimprimible
La película seca es ideal para placas de circuito impreso planas con una topografía uniforme. Puede utilizar la laminación al vacío para aplicar una película seca antes del revelado y la exposición. Además, una película seca siempre ofrecerá un grosor de superficie uniforme. Sin embargo, este tipo de máscara de soldadura sólo es adecuada para placas planas.
Fotoimprimible líquida
La máscara de soldadura fotoimprimible líquida es ideal para placas de circuitos con una topografía poco habitual. Se puede aplicar una tinta curable UV con el uso de diferentes técnicas de recubrimiento. Esta máscara de soldadura no ofrece una capa consistente, pero ofrece un mejor contacto con las trazas de cobre. Además, ofrece una mejor cobertura. Es ideal para placas de circuitos con características superficiales muy complejas.
Tipos de materiales utilizados en las capas conductoras de PCB
Los tres materiales principales utilizados como capa conductora en las placas de circuito impreso son el cobre, el hierro y el aluminio. El cobre es el material más utilizado para las capas conductoras. Esta es una de las principales razones por las que la mayoría de las placas de circuito impreso están revestidas de cobre.
Lámina de cobre
La lámina de cobre es un material altamente conductor y, como tal, se utiliza ampliamente como capa conductora en un circuito impreso. Además, el cobre tiene una buena conductividad eléctrica y ductilidad. Además, la capa de cobre como capa conductora ofrece unas propiedades térmicas y una resistencia a la tracción excepcionales. El grosor de la capa de cobre suele medirse en onzas.
Este material conductor desempeña un papel crucial en la fabricación de PCB, ya que presenta grandes propiedades térmicas y eléctricas necesarias para la disipación del calor y la transmisión de señales. Además, este material es más resistente a la corrosión que el hierro y el aluminio.
Aluminio
El aluminio sirve como una buena capa conductora en una placa de circuito impreso. Este material se caracteriza por su gran durabilidad. Además, el aluminio es un material resistente con grandes características térmicas y eléctricas. El uso de aluminio como capa conductora de una placa de circuito impreso elimina el riesgo de rotura accidental. Las roturas accidentales pueden producirse durante la fabricación o la manipulación.
El aluminio es un material muy fácil de soldar. El grosor del aluminio oscila entre 1 onza y 10 onzas. Además, el aluminio ofrece una vía conductora para los componentes electrónicos.
Hierro
El hierro también es un tipo de metal utilizado como capa conductora de una placa de circuito. Este material tiene un buen efecto de apantallamiento y es ideal para el montaje en superficie. Además, el hierro ofrece una buena disipación del calor y estabilidad.
Propiedades dieléctricas y eléctricas de los materiales de las placas de circuito impreso
Los sustratos y materiales integrados en la fabricación de PCB deben presentar excelentes propiedades dieléctricas y eléctricas.
Constante dieléctrica
La constante dieléctrica mide la capacidad de un material para almacenar electrones en un campo eléctrico. Esta propiedad es crucial para los sustratos utilizados en dispositivos electrónicos. Además, la constante dieléctrica se refiere a la permitividad relativa. La mayoría de los materiales para placas de circuitos presentan una constante dieléctrica comprendida entre 2 y 4,6. La constante dieléctrica de un sustrato ayuda a determinar el rendimiento de la placa de circuito impreso en aplicaciones de alta frecuencia.
Resistividad volumétrica
Define la capacidad de un material para resistir el aislamiento. También mide la resistencia de un material aislante a la corriente de fuga a través de su cuerpo. Una resistividad de volumen alta se refiere a una corriente de fuga baja. Los materiales con alta resistividad de volumen son menos conductores.
Resistividad superficial
Esta propiedad mide la capacidad de la superficie de los materiales de la placa de circuito impreso para resistir la transferencia de carga eléctrica. La resistividad superficial y la resistividad volumétrica son similares en medida, pero su lugar de medición es diferente. Las temperaturas y las humedades son factores que afectan a la resistividad superficial.
Factor de disipación
El factor de disipación de los materiales de PCB mide la ineficiencia de un material aislante. También mide la cantidad de energía eléctrica que se pierde y se obtiene cuando se aplica corriente eléctrica a un material aislante. Describe la ineficacia de un material de placa de circuito impreso para actuar como material aislante.
Propiedades térmicas y mecánicas de los materiales de PCB
Coeficiente de expansión térmica (CTE)
El CTE mide el cambio de tamaño de un material de PCB en relación con la temperatura. En otras palabras, mide la velocidad de expansión de un material en respuesta a la temperatura. Un sustrato con un alto CTE se expandirá fácilmente. Además, esta propiedad es crucial en las placas multicapa. Podría producirse un desprendimiento entre capas durante los ciclos de temperatura si los sustratos de estas capas tienen distintos CET. Un material de PCB con alto CET puede expandirse con una fuerza mucho mayor que la resistencia mecánica. Esto podría provocar astillas o grietas.
Temperatura de transición vítrea (Tg)
La temperatura de transición vítrea es una propiedad térmica que mide la temperatura a la que un material de placa de circuito impreso se transforma en un estado similar al ruber. El material vuelve a su estado inicial cuando la temperatura es inferior a Tg. Esta propiedad ayuda a determinar si un material de placa de circuito impreso es ideal para aplicaciones rígidas o flexibles.
Conductividad térmica
Se trata de una propiedad térmica que describe la capacidad de un material de placa de circuito impreso para transmitir calor. Un material de PCB con baja conductividad térmica tiene una capacidad limitada de transferencia de calor. Asimismo, un material con alta conductividad puede transmitir energía térmica.
Además, la conductividad térmica ayuda a disipar el calor en una placa de circuito impreso. Un material con alta conductividad térmica puede mejorar el rendimiento de la placa de circuito impreso.
Resistencia al pelado
La resistencia al pelado describe la fuerza de la unión entre el material del sustrato y la capa conductora. Esta propiedad mide la cantidad de fuerza necesaria para romper la unión de un material. Un ensayo de resistencia al pelado suele realizarse en determinadas condiciones. Debe exponer la muestra a soldadura fundida a más de 250oC para provocar estrés térmico.
Absorción de humedad
La absorción de humedad mide la capacidad de un sustrato de PCB para absorber el contenido de humedad. Una elevada absorción de humedad afecta a las propiedades térmicas y eléctricas de un PCB.
Factores a tener en cuenta al elegir los materiales de las placas de circuito impreso
Los materiales utilizados en las placas de circuito impreso son cruciales para determinar su rendimiento. Los materiales de las placas de circuito impreso deben tener unas propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas excepcionales. Dado que existe una amplia gama de materiales para placas de circuito impreso, puede resultar muy complicado determinar por cuáles decantarse. Por lo tanto, debe tener en cuenta algunos factores. Estos factores le ayudarán a tomar las decisiones correctas.
Finalidad de la placa de circuito impreso
Al diseñar una placa, deberá conocer los requisitos de la aplicación de la placa de circuito impreso. Además, debe tener en cuenta los requisitos de integridad de la señal. ¿Qué tipo de placa necesitará para la aplicación? ¿Qué finalidad tiene? ¿Tendrá que soportar altas temperaturas? Es importante responder a estas preguntas a la hora de elegir el material de la placa de circuito impreso.
Coste
El coste es uno de los factores que determinan el tipo de material de placa de circuito impreso que se va a utilizar. Además, el tipo de PCB que diseñe determinará el tipo de material. Las placas de circuito impreso con vías enterradas, acabado superficial dorado y relleno de vías requieren materiales más caros. Sin embargo, algunos fabricantes de PCB optan por alternativas más baratas a la hora de elegir los materiales de los circuitos impresos.
Apilado
El apilado determina el diseño de la placa de circuito impreso. Algunos materiales no son ideales para placas de doble capa o multicapa. Por ejemplo, FR-1 y FR-2 sólo son ideales para placas de una cara. Por otro lado, el FR-4 y el teflón son ideales tanto para placas de una sola cara como para placas multicapa. Por lo tanto, el número de capas de la placa determinará la elección del material.
Integridad de la señal y resistencia mecánica
Algunas aplicaciones requieren materiales con resistencia eléctrica y mecánica. En aplicaciones de alta frecuencia, los materiales de PCB de alta potencia o alta frecuencia como FR-4, aluminio y teflón son materiales ideales.
¿Cómo influyen el calor y la potencia en la elección de los materiales de PCB?
El calor y la potencia afectan a la elección de los materiales de PCB de las siguientes maneras:
Conductividad térmica
La conductividad térmica es un factor crucial a la hora de elegir materiales para PCB. Los materiales que pueden disipar el calor más rápidamente son los preferidos en algunas aplicaciones. Los sustratos cerámicos tienen mejor conductividad térmica que los materiales FR-1 y FR-4.
Absorción de humedad
La absorción de humedad de un material afectará a sus propiedades eléctricas y térmicas. La mayoría de las veces, los materiales dieléctricos presentan una absorción de humedad entre el 0,01% y el 0,20%. Los circuitos impresos con baja absorción de humedad tienen un mejor rendimiento.
Resistencia al cloruro de metileno
También se conoce como resistencia química. Mide la capacidad de un material dieléctrico para resistir la absorción de cloruro de metileno. Además, el cloruro de metileno de la mayoría de los materiales dieléctricos oscila entre el 0,01% y el 0,20%.
Marcas de materiales laminados para PCB
Empresas como ISOLA, Taconic, Rogers y Ventec fabrican materiales laminados para PCB. Estos materiales pueden cumplir los requisitos de las aplicaciones de alta velocidad y alto rendimiento. Veamos algunos de los materiales para PCB fabricados por estas empresas.
Rogers
Los materiales para PCB de Rogers se utilizan ampliamente en la fabricación de PCB de alta frecuencia. Poseen propiedades que satisfacen las demandas de alta frecuencia. Además, estos materiales para PCB presentan unas características eléctricas y de transmisión de señales excepcionales. Los materiales para placas de circuito impreso Rogers están disponibles en una amplia gama de constantes dieléctricas. A continuación se muestran algunas opciones de materiales para placas de circuito impreso Rogers:
Serie RO4000
Estos materiales son ideales para placas de circuito impreso de alta frecuencia. Además, están hechos principalmente de sustancias cerámicas y compuestos de hidrocarburos. Los materiales de la serie RO4000 tienen procedimientos de procesamiento similares a los de FR-4. Estos materiales son adecuados para la fabricación de placas de circuito impreso multicapa y placas de circuito impreso rígidas.
Las placas de circuito impreso que contienen materiales de la serie RO4000 pueden funcionar a valores de frecuencia elevados con un buen control de la impedancia. Además, los materiales de la serie RO4000 se utilizan ampliamente en aplicaciones como satélites, tecnología de sensores y radares, y amplificadores de potencia.
Serie RO3000
Los materiales de esta serie comprenden sustancias cerámicas y compuestos de politetrafluoroetileno. Además, estos materiales presentan propiedades físicas constantes dentro de una amplia gama de valores de constante dieléctrica. El CET de estos materiales para placas de circuito impreso es mucho menor que el de FR-4. Como consecuencia de los CET desiguales, las placas de circuito impreso Rogers sufren tensiones térmicas. Encontrará la serie RO3000 en amplificadores de potencia y componentes de RF con tecnología de montaje en superficie.
Isola
Los materiales para placas de circuito impreso Isola están disponibles en varias opciones.
FR406
Se trata de un material ignífugo compuesto por un laminado de base epoxi y un preimpregnado. Además, FR406 se utiliza ampliamente en la fabricación de PCB multicapa. Este material para PCB ofrece una mejor consistencia de la placa en términos de tamaño. Además, ofrece un gran rendimiento térmico y CTE.
G200
El material G200 permite a los fabricantes de PCB producir placas de circuito impreso de gran eficacia y fiabilidad. Además, este material de Isola suele integrarse en los modos de panelización de la fabricación de PCB multicapa.
IS415HR
Se trata de un material de PCB eficaz que se utiliza en las configuraciones de placas de circuito impreso multicapa. Es el más adecuado para aplicaciones que requieren una alta calidad de señal. Su baja reacción a los cambios de temperatura lo convierte en un material ideal para la fabricación de PCB multicapa.
370HR
Este es otro material ignífugo de Isola. Es una alternativa al FR-4 para fabricar laminados y preimpregnados. Además, 370HR puede funcionar bien a valores de temperatura elevados, con una temperatura de transición vítrea por encima de 170 grados Celsius. La integración de un estándar de fibra de vidrio refuerza el compuesto resina-epoxi durante el proceso de fabricación de este material. Además, las propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas de este material son mejores que las de los materiales FR-4.
IS680-300
Se trata de un material laminado para PCB que presenta una baja pérdida dieléctrica. IS680-300 permite niveles de rendimiento constantes dentro de límites de frecuencia y temperatura más amplios. Además, este material es ideal para su uso en circuitos de transmisión de RF. Es una alternativa más barata al teflón.
Taconic
Taconic Corporation fabrica materiales para PCB. Los materiales Taconic varían en cuanto a sus propiedades térmicas, eléctricas y físicas. Además, estos materiales suelen basarse en sustancias cerámicas finas, vidrio y teflón. Algunos ejemplos de materiales para PCB de Taconic son
Taconic tly-5
Este material laminado tiene una constante dieléctrica uniforme y una excelente estabilidad dimensional. La constante dieléctrica de Taconic tly-5 es de 2,20, mientras que su espesor dieléctrico es de 0,0050. Además, este material es ideal para aplicaciones como comunicaciones celulares, amplificadores y aeroespacial.
Taconic CER10
Taconic CER10 es un laminado relleno de cerámica reforzado con vidrio. Este material tiene propiedades eléctricas uniformes. Se utiliza ampliamente en filtros, acopladores y componentes pasivos. Además, este material para PCB presenta un tablero interlaminar. Es un laminado de PCB dimensionalmente estable y, como tal, es ideal para aplicaciones de bajo coste y gran volumen. Además, presenta una baja absorción de humedad y una buena resistencia a la flexión.
Taconic RF35
Se trata de un material relleno de cerámica con refuerzo de vidrio. Taconic RF 35 es muy adecuado para aplicaciones industriales como amplificadores de potencia, componentes pasivos y antenas. Este material Taconic se caracteriza por su bajo factor de disipación y su eficaz estabilidad dimensional.
Conclusión
Una placa de circuito impreso estándar se compone de diferentes tipos de materiales. Los componentes electrónicos también son materiales utilizados en el proceso de fabricación de PCB. Las placas de circuito impreso comprenden una enorme variedad de materiales. Sin embargo, hay ciertos factores que determinan la elección de los materiales de los PCB. Factores como las propiedades eléctricas, los requisitos térmicos y las características mecánicas. Además, los requisitos de la aplicación determinarán el tipo de material a utilizar.
