Lo primero y más importante es elegir el material de sustrato de PCB adecuado para su fabricación. Los fabricantes utilizan diversos tipos de sustrato con propiedades variables. Este artículo le guiará en la elección del material de sustrato de PCB adecuado para su proyecto. Además, aprenderá sobre los diferentes tipos de sustrato de PCB.
Sustratos de PCB: Todas las propiedades principales del material dieléctrico
Este material permite una mínima circulación de electricidad en el circuito, ya que existe una capa aislante entre dos capas conductoras. Por ejemplo, el FR-4 es el tipo de material dieléctrico más común. Debe considerar sus propiedades antes de elegirlo para su placa de circuito.
Aquí están las 4 propiedades más importantes del material dieléctrico:
Propiedades termales
Consideremos las propiedades térmicas del material del sustrato:
Temperatura de transición del vidrio
Un rango de temperatura en el que el sustrato de la PCB pasa de un estado vítreo o rígido a uno ablandado o deformable. Las propiedades del material vuelven a sus estados originales tras enfriarse. Este rango de temperatura se puede expresar en la unidad Tg. Además, debe medirse en grados Celsius.
Temperatura de descomposición
Td es una expresión que se utiliza para la temperatura de descomposición. Es un método de descomposición química en el que el material puede perder hasta un 5% de su masa. La unidad de medida de Td es oC.
En este proceso, las propiedades no son reversibles. Cuando un sustrato alcanza su temperatura de descomposición, se produce un cambio en sus propiedades. Tras este cambio, las propiedades del material no son reversibles. Por otro lado, sí lo son en la temperatura de transición vítrea.
Debe elegir un material de sustrato cuyo rango de temperatura sea inferior a Td y superior a Tg. Por lo tanto, el rango de temperatura puede estar entre 200 y 250 °C. oC. Por lo tanto, trate de hacer que Td sea mayor que esto.
Coeficiente de expansión termal
El CTE indica la velocidad de expansión de un material de PCB tras calentarse. El CTE se puede expresar en partes por millón. Cuando la temperatura del material supera la Tg, el CTE también empieza a aumentar. La mayoría de los sustratos tienen un CTE más alto que el del cobre. Esto puede provocar problemas de interconexión cuando la temperatura de la PCB aumenta.
El CTE es bajo comparativamente a lo largo de los ejes X e Y. El rango de CTE está entre 10 y 20 ppm por oC a lo largo de estos ejes. Esto ocurre debido al vidrio tejido. Debido a esta restricción, el material en estos ejes no experimenta cambios significativos en el CTE cuando la temperatura supera la Tg.
Debido al vidrio tejido, el material se expande a lo largo del eje Z. Por lo tanto, el valor de CTE debe ser lo más bajo posible a lo largo de este eje. Debe intentar mantenerlo por debajo de 70 ppm. oC. El CTE aumentará cuando el material exceda la Tg.
Además, también se puede determinar la Tg del material mediante el CTE. Solo se necesita trazar una curva de temperatura en función del desplazamiento.
Conductividad Térmica
Esta propiedad se relaciona con la conducción del calor. El valor de la conductividad térmica se puede representar mediante k. Una conductividad térmica baja indica una baja transferencia de calor y viceversa. La conductividad térmica de un material se puede medir en vatios por metro cuadrado (ºC).
La mayoría de los materiales de sustrato de PCB tienen una conductividad térmica de entre 0.3 y 0.6 W/m-ºC. Esta conductividad térmica es bastante menor que la del cobre. El k del cobre es de aproximadamente 386 W/m-ºC. Por lo tanto, las capas planas de cobre absorben más calor que el material dieléctrico de una placa de circuito.
Propiedades electricas
Permitividad relativa de la constante dieléctrica (Dk o Er)
Es fundamental considerar la constante dieléctrica del material para verificar la impedancia y la integridad de la señal. Ambos son factores importantes en el rendimiento eléctrico de alta frecuencia. El rango de Er se encuentra entre 2.5 y 4.5 en la mayoría de los sustratos de PCB.
El valor de la constante dieléctrica depende de la frecuencia. Al aumentar la frecuencia, su valor disminuye. Además, este cambio depende del tipo de material. El material más adecuado para aplicaciones de alta frecuencia es aquel en el que la constante dieléctrica se mantiene prácticamente constante en un amplio rango de frecuencias.
Factor de disipación o tangente de pérdida dieléctrica (Df Tan δ)
La tangente de pérdida del material proporciona una medida de la potencia perdida debido al material. Si la tangente de pérdida es menor en un material, se producirá una menor pérdida de potencia. El rango de Tan δ en la mayoría de los materiales de las placas de circuito es de 0.02. Además, el valor de Tan δ puede ser de 0.001 para materiales de baja y alta gama. El valor de Tan δ aumenta con el aumento de la frecuencia.
Aunque la tangente de pérdida no es significativa para los circuitos digitales, sí lo es para frecuencias altas superiores a 1 GHz. Además, es fundamental para las señales analógicas, ya que ayuda a determinar el grado de disminución de la señal.
Resistividad de volumen
Los fabricantes denominan resistividad volumétrica resistividad eléctrica. Esta resistividad ayuda a medir el aislamiento o la resistencia eléctrica del material. Si la resistividad del material es alta, habrá menos movimiento de cargas eléctricas en el circuito. La unidad internacional de resistividad del sistema es el Ω-m.
Los aislantes dieléctricos presentan una resistividad muy alta. El rango de resistividad puede variar entre 10⁶ y 10¹⁰ megaohmios-centímetros. La humedad y la temperatura afectan la resistividad.
Resistividad superficial – ρS
La resistividad superficial o ρS incluye la resistencia eléctrica o de aislamiento del material de una placa de circuito. También debe tener un valor muy alto de resistividad superficial, similar a la resistividad volumétrica. Por lo tanto, el valor de la resistividad superficial debe estar entre 10⁶ y 10¹⁰ megaohmios por cuadrado.
Fuerza eléctrica
Esta propiedad ayuda a medir la capacidad resistiva del material de una placa de circuito. Indica la capacidad de un material para resistir una ruptura eléctrica a lo largo del eje Z. La unidad internacional del sistema para medir la resistencia eléctrica es el voltio/milésima de pulgada (V/milésima de pulgada). La mayoría de los materiales dieléctricos tienen una resistencia eléctrica de entre 800 y 1500 V/milésima de pulgada (V/milésima de pulgada).
Propiedades químicas
Especificaciones de inflamabilidad – UL94
Se trata de una norma de inflamabilidad de plásticos que clasifica los plásticos desde el menos ignífugo hasta el más ignífugo. Por lo tanto, resulta muy útil para las pruebas de electrodomésticos de plástico. Underwriters Laboratories (UL) define esta norma. A continuación, se presentan algunos requisitos esenciales:
- Las muestras con combustión con llama no arderán un máximo de 10 segundos después de la aplicación de la llama de prueba.
- El tiempo total de combustión no superará los 50 segundos. Este tiempo corresponde a las diez aplicaciones de llama del conjunto de cinco especímenes.
- Las muestras no se quemarán hasta la abrazadera de sujeción con combustión incandescente.
- Además, no gotea elementos inflamables que puedan encender el algodón quirúrgico seco y esponjoso. El algodón se encuentra 300 mm por debajo de las muestras de prueba.
- Despues de la xnumxndAl retirar la llama de prueba, las muestras pueden no presentar una combustión brillante que permanezca unos 20 segundos.
Absorción de humedad
Se trata de la capacidad de resistencia al agua del material de una placa de circuito. Se puede observar el incremento porcentual en el peso de una placa de circuito después de absorber agua. Además, este porcentaje se puede calcular mediante diferentes métodos de prueba. La mayoría de los materiales pueden absorber agua entre el 0.01 % y el 0.20 %.
La absorción de humedad puede afectar diferentes propiedades del material de la placa de circuito. Por ejemplo, puede afectar las propiedades eléctricas y térmicas del material. Además, afecta la capacidad de resistir el filamento conductor del ánodo al conectar la placa de circuito.
Resistencia al cloruro de metileno
Ayuda a medir la resistencia química del tablero. En particular, permite comprobar su capacidad de resistencia a la absorción de cloruro de metileno.
Puede indicar su valor en porcentaje. Notará el aumento de peso tras absorber cloruro de metileno. Esto ocurre en condiciones controladas. La mayoría de los sustratos de PCB tienen una capacidad de resistencia de entre el 0.01 % y el 0.20 %, similar a la absorción de humedad.
Propiedades mecánicas
Pele la fuerza
Indica la fuerza de adhesión entre el material dieléctrico y el conductor de cobre. La unidad para expresar la resistencia al pelado es la libra de fuerza por pulgada lineal. Se puede denotar como PLI.
Las pruebas de resistencia al pelado dependen del grosor del sustrato de la PCB. Por ejemplo, se necesitan pistas de cobre de 1 g de grosor para las pruebas. Además, se necesitan pistas de cobre de 32 a 124 mm de ancho tras el proceso estándar de fabricación de placas de circuito impreso. Este proceso se puede completar bajo tres condiciones:
- Estrés termal: Después de dejar flotar la muestra sobre soldadura durante 10s a 288 ºC.
- Temperatura elevada: Tras exponer la muestra al fluido a 125 °C, o bien, al aire caliente.
- Exposición a productos químicos de proceso: Después de exponer la muestra a una serie de procesos químicos y térmicos.
Fuerza flexible
Muestra la capacidad de un material para soportar tensión mecánica sin romperse. Su valor se puede expresar en kg/metro cuadrado o en libras/pulgada cuadrada.
El mecanismo de prueba de resistencia a la flexión es muy sencillo. Se realiza sujetando una placa por un extremo y aplicando una carga en el centro. La norma para placas rígidas y multicapa es la IPC-4101.
El módulo de Young
El módulo de tracción es otro término para este módulo. Indica la resistencia del material en la placa de circuito. Este módulo mide la relación entre la tensión y la deformación en una dirección específica. Algunos fabricantes miden la resistencia utilizando este módulo en lugar de la resistencia a la flexión. Su valor se puede expresar en fuerza por unidad de área.
Densidad
La densidad de una placa de circuito impreso se puede medir en gramos por centímetro cúbico. Además, algunos fabricantes indican su valor en libras por pulgada cúbica.
Tiempo hasta la delaminación
Este factor indica el tiempo de resistencia de una placa de circuito a la delaminación. La delaminación puede ocurrir debido a choque térmico, humedad o una temperatura de transición vítrea (Tg) incorrecta en el material. Además, puede ocurrir debido a un proceso de laminación deficiente.
¿Cuál es la mejor manera de seleccionar materiales de sustrato de PCB para su PCB?
Existen numerosos tipos de sustratos de PCB disponibles en el mercado. Estos varían en grosor y resistencia. Por lo tanto, encontrar el sustrato de mejor calidad para sus placas de circuito impreso es un gran desafío. Además, encontrar incluso un sustrato adecuado sin los conocimientos necesarios se convierte en un verdadero dolor de cabeza.
Seleccionar el sustrato de PCB adecuado para sus necesidades no es complicado, ya que ya conoce todos los criterios para seleccionarlo. Debe considerar:
- Propiedades termales
- Propiedades electricas
- Propiedades químicas
- Las propiedades mecánicas
Si conoce estas propiedades, podrá elegir un sustrato de alta calidad para sus placas de circuito impreso. Además, también debería considerar el grosor del sustrato de PCB.
Además de las propiedades del sustrato, también debe considerar algunas características importantes. A continuación, se presentan algunas características importantes:
| material de PCB | Uso típico | DK | Tg (oC) | Tipo de placa recomendado |
| FR-4 | Sustrato, laminado | 4.2 a 4.8 | 135 | Estándar |
| CEM-1 | Sustrato, laminado | 4.5 a 5.4 | 150 – 210 | Alta densidad |
| RF-35 | sustrato | 3.5 | 130 | Alta densidad |
| El Teflón | Laminado | 2.5 a 2.8 | 160 | Microondas, alta potencia, alta frecuencia |
| Poliimida | sustrato | 3.8 | > = 250 | Alta potencia, microondas, alta frecuencia |
| PTFE | sustrato | 2.1 | 240 a 280 | Microondas, alta potencia, alta frecuencia |
Tipos de material de sustrato de PCB
Las placas de circuitos constan de dos capas de material: la superior y la inferior. La capa superior es fundamental para diversos fines, como las reacciones. Además, el diseño de las placas de circuitos depende de esta capa.
De igual manera, la capa inferior contribuye significativamente al diseño. El mercado de sustratos se estima en casi 51 millones de pies cuadrados a nivel mundial. Las empresas utilizan diferentes tipos de sustratos de PCB.
La mayoría de los fabricantes mezclan este material con epoxi. Sin embargo, otros lo mezclan con mezcla BT. La mayoría de las empresas utilizan diferentes capas alternativas del material dieléctrico, con o sin refuerzo.
A continuación se muestran algunos tipos básicos de sustrato de PCB:
El vidrio no tejido
Implica la difusión de microfibras de vidrio en el sustrato. Son muy eficaces a frecuencias altas. Sin embargo, el factor de dispersión en el vidrio no tejido no es destacable.
Vidrio tejido
Es otro tipo de sustrato de PCB popular. El tejido de fibra de vidrio es el componente básico de este sustrato. Sin embargo, no es recomendable debido a su baja estabilidad térmica y mecánica.
Lleno
Tiene un rango específico de constante dieléctrica. Otros materiales, como la cerámica, aumentan su constante dieléctrica.
Hay diferentes maneras de seleccionar un sustrato para su placa. La más importante es consultar con el equipo de ingeniería experto de los fabricantes.
Además, puedes clasificar el sustrato en 4 categorías diferentes de la siguiente manera:
Tablero duro/rígido
Los fabricantes lo utilizan para mantener la forma de una placa de circuito impreso a lo largo de toda su longitud. Son placas de circuito impreso de base cerámica. Esto evita que las placas de circuito impreso se doblen o adquieran otras formas.
Tablas blandas/flexibles
Gracias a su flexibilidad, se pueden usar en muchos proyectos. Se pueden transformar en cualquier objeto o forma. Los fabricantes utilizan este tipo cuando es necesario doblar objetos. Por lo tanto, las placas flexibles son la opción perfecta en este caso.
PCB rígidos flexibles
Para diferentes situaciones, las empresas combinan tableros tanto flexibles como rígidos para fabricar PCB rígidos y flexiblesContienen múltiples capas, como la poliimida. Los tableros flexibles-rígidos se utilizan principalmente en aplicaciones aeroespaciales y militares. Además, pueden emplearse en diversos equipos médicos.
FR-4
Es el sustrato más asequible y común hoy en día, un laminado de fibra de vidrio y epoxi. FR es la abreviatura de retardante de fuego y un excelente aislante. El material contiene una buena cantidad de bromuro, un halógeno no reactivo.
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