El material dieléctrico de PCB se refiere a un material no conductor, fundamental en la fabricación de placas de circuito impreso. Estos materiales actúan como aislantes y barreras entre las capas conductoras para evitar conexiones directas y mantener la claridad de las señales. A medida que aumenta el nivel de integración, la elección del material dieléctrico utilizado en las placas de circuito impreso es crucial para lograr un rendimiento satisfactorio en aplicaciones críticas. En este blog, analizaremos cuatro materiales dieléctricos de PCB de uso común y algunos consejos para seleccionar el mejor. Comencemos con su definición.
¿Qué son los materiales dieléctricos?
Los dieléctricos son materiales que no ofrecen conductividad y tienen la capacidad de retener cargas eléctricas e impedir su flujo a través del material. Dos propiedades distinguen a estos materiales: una es la constante dieléctrica, que indica su capacidad para almacenar y transferir energía eléctrica; y la otra es... factor de disipación, que mide la capacidad de los materiales para almacenar energía eléctrica. En las PCB, se utiliza un material dieléctrico entre las pistas conductoras y los lugares de aislamiento eléctrico para evitar cortocircuitos o interferencias de señal. Los materiales dieléctricos utilizados en la placa permiten su capacitancia, lo cual es esencial en circuitos de alta frecuencia y alta velocidad. Sus valores afectan el rendimiento eléctrico, térmico y mecánico de la PCB, incluyendo la constante dieléctrica, la conductividad térmica y la resistencia mecánica del material.
Tipos de materiales dieléctricos de PCB
FR-4 (Retardante de llama 4)
El FR-4 (retardante de llama 4) es uno de los materiales dieléctricos más populares para la fabricación de circuitos impresos. Es un material compuesto de fibra de vidrio reforzada con resina epoxi. El FR-4 posee buena resistividad eléctrica, propiedades mecánicas y resistencia al fuego, por lo que se puede utilizar en numerosas aplicaciones. Sin embargo, sus aplicaciones son algo limitadas en sistemas de alta frecuencia y alta velocidad debido a su constante dieléctrica relativamente alta.
Otras lecturas: Una guía completa sobre la conductividad térmica FR4
CEM-1, CEM-2 y CEM-3
CEM-1, CEM-2 y CEM-3 son materiales dieléctricos compuestos rellenos de cerámica, ampliamente utilizados en alta frecuencia y PCB de alta velocidadEstos materiales tienen una constante dieléctrica y un factor de disipación más bajos que el FR-4, lo que reduce las pérdidas y la degradación de la señal. Además, presentan excelentes coeficientes térmicos, lo que facilita la gestión del calor generado dentro del sistema. Sin embargo, estos materiales suelen ser costosos y requieren procesos de fabricación especializados.
Politetrafluoroetileno (PTFE)
El politetrafluoroetileno (PTFE) es un fluoropolímero con propiedades eléctricas como la constante dieléctrica y el factor de disipación. Los materiales dieléctricos de PTFE son ideales para circuitos de alta frecuencia y transmisión de señales de microondas, así como para circuitos que se utilizan en entornos químicamente agresivos y a altas temperaturas. Sin embargo, pueden ser más costosos y presentar características mecánicas muy restrictivas en comparación con otros materiales.
Poliimida
La poliimida es un material dieléctrico para PCB que se puede utilizar en aplicaciones de alta temperatura de funcionamiento gracias a su estabilidad térmica, baja capacidad de absorción de humedad y buen valor dieléctrico. Este tipo de material se utiliza comúnmente en circuitos flexibles y rígido-flexibles y en circuitos que requieren altas temperaturas o están expuestos a agentes químicos agresivos. Sin embargo, pueden ser más costosos y, en ocasiones, su procesamiento es más complejo.
Propiedades a tener en cuenta al seleccionar materiales dieléctricos para PCB
Al elegir materiales dieléctricos para placas de circuitos impresos, es esencial tener en cuenta las siguientes cuatro propiedades clave:
Propiedades Eléctricas
- Constante dieléctrica (DK)
Esto muestra la cantidad de energía eléctrica que el material puede retener según su constante dieléctrica. Esta propiedad influye en la velocidad de las señales, así como en la impedancia; por lo tanto, es deseable contar con valores bajos de DK en aplicaciones de alta velocidad.
- Factor de disipación (FD)
El factor de disipación determina las pérdidas dieléctricas, y las cifras caracterizadas por valores de DF más bajos son adecuadas para uso en alta frecuencia. Afecta la atenuación de la señal y el rendimiento.
- Fuerza eléctrica
La resistencia eléctrica se refiere a la intensidad de la tensión eléctrica que un material es capaz de soportar antes de romperse. Esto es fundamental en aplicaciones de alta tensión para garantizar la fiabilidad y la seguridad.
Propiedades termales
- Temperatura de transición del vidrio (Tg)
Esta es la temperatura a la que un polímero pasa de un estado duro y vítreo a uno blando y gomoso. Para aplicaciones mecánicas, especialmente aquellas que operan a altas temperaturas, se tiende a utilizar material con una Tg alta.
- Coeficiente de expansión térmica (CTE)
El CTE define el grado de expansión o contracción del material ante cambios de temperatura. Otra consideración es intentar que el CTE de los materiales dieléctricos utilizados sea igual al del cobre para minimizar la tensión mecánica y las fallas durante el uso continuo o los ciclos térmicos.
- Conductividad Térmica
La conductividad térmica mide la eficacia con la que un material transfiere flujos de calor desde la región de alta temperatura a la de baja temperatura. Por lo tanto, una mayor conductividad térmica alivia el problema de la disipación eficiente del calor, lo cual es importante especialmente en los circuitos electrónicos.
Propiedades químicas
- Absorción de humedad
La absorción de humedad se refiere a la cantidad de agua que un material determinado es capaz de absorber. Se prefiere una menor humedad para no comprometer las propiedades eléctricas ni características como la delaminación.
- Resistencia química
Esta propiedad mide la capacidad del material para resistir los efectos de fluidos o disolventes, ácidos y otras sustancias químicas. Es un parámetro importante para determinar si una PCB puede utilizarse en entornos hostiles.
Conclusión
La elección del material dieléctrico en la placa de circuito impreso es un factor muy importante. Puede afectar considerablemente el rendimiento de la placa, su fiabilidad y su aplicabilidad para el propósito previsto. Como se mencionó en este blog, cada material dieléctrico tiene diferentes características, incluyendo eléctricas, térmicas, mecánicas y químicas. ¿Aún no está seguro de qué material será el ideal para su proyecto? Contáctenos ahoraNuestros ingenieros están siempre disponibles para ayudarle y brindarle el mejor asesoramiento para elegir el material dieléctrico adecuado para su placa PCB.
