•Requisito sobre lámina de cobre
Todas las placas de PCB están evolucionando hacia una mayor densidad y líneas más finas, especialmente las PCBs HDI (High Density Interconnect PCBs). Hace una década, la PCB HDI se definía, según la IPC, como una PCB cuya anchura de línea (L) y espacio de línea (S) era de 0,1 mm o menos. En la actualidad, sin embargo, el valor estándar de L y S en la industria electrónica puede ser tan pequeño como 60 μm y, en situaciones avanzadas, su valor puede llegar a ser tan bajo como 40 μm.
El método tradicional de formación de patrones de circuito se basa en el proceso de imagen y grabado, como resultado del cual el valor mínimo de L y S alcanza 30 μm con la aplicación de un sustrato de lámina de cobre delgada (con un espesor en el rango de 9 μm a 12 μm).
Dado que el CCL (laminado recubierto de cobre) de lámina de cobre delgada presenta un alto costo y un apilado con muchos defectos, muchos fabricantes de PCB tienden a utilizar en su lugar el método de grabado por sustracción de lámina de cobre, estableciendo el espesor de la lámina de cobre en 18 μm. En realidad, no se recomienda este método porque incluye demasiados procesos, el espesor es difícil de controlar y conduce a un costo más elevado. Como resultado, es mejor usar lámina de cobre delgada. Además, la lámina de cobre estándar no funciona cuando el valor de L y S de la placa es inferior a 20 μm. Finalmente, se recomienda utilizar lámina de cobre ultrafina, ya que su espesor de cobre se regula dentro del rango de 3 μm a 5 μm.
Además del grosor de la lámina de cobre, los circuitos finos actuales también exigen una superficie de lámina de cobre de baja rugosidad. Para mejorar la capacidad de unión entre la lámina de cobre y el material del sustrato y garantizar la resistencia al pelado de los conductores, se aplica un tratamiento de rugosidad en la superficie de la lámina de cobre y la rugosidad habitual de la lámina de cobre es superior a 5 μm.
El objetivo de incrustar protuberancias en la lámina de cobre dentro del material del sustrato es aumentar su resistencia al pelado. Sin embargo, para controlar la precisión de las pistas y evitar el sobregrabado durante el grabado del circuito, tiende a generarse contaminación por protuberancias, lo que puede provocar cortocircuitos entre las líneas o una disminución de la capacidad de aislamiento, lo que afecta especialmente a los circuitos finos. Por lo tanto, se requiere una lámina de cobre con baja rugosidad (inferior a 3 μm o incluso 1,5 μm).
A pesar de la reducción de la rugosidad de la lámina de cobre, la resistencia de pelado de los conductores aún debe mantenerse, lo que da lugar a un acabado superficial especial en la superficie de la lámina de cobre y del material del sustrato que ayudará a garantizar la resistencia de pelado de los conductores.
•Requisito sobre laminados dieléctricos aislantes
Una de las principales propiedades tecnológicas de las PCB HDI radica en el proceso de construcción (Building Up Process). El RCC (Resin Coated Copper), que se aplica normalmente o el preimpregnado de tejido de vidrio epoxi y la laminación de lámina de cobre, rara vez logran producir circuitos finos. Actualmente tienden a aplicarse SAP y MSPA, lo que implica el uso de laminación de película dieléctrica aislante con cobre químico para generar el plano conductor de cobre. Se pueden producir circuitos finos gracias a la delgada capa de cobre.
Uno de los puntos clave de SAP radica en el material dieléctrico de laminación. Para cumplir con el requisito de circuitos finos de alta densidad, es necesario plantear ciertas exigencias para el material de laminación, incluyendo el rendimiento dieléctrico, el aislamiento, la capacidad de resistencia al calor y la adhesión, junto con una adaptación tecnológica compatible con las PCB HDI.
Entre los encapsulados de semiconductores a nivel mundial, el sustrato de encapsulado de CI se ha convertido en sustrato orgánico a partir de sustrato cerámico. El pitch del sustrato de encapsulado FC es cada vez más pequeño, de modo que el valor típico actual de L y S es de 15 μm y será aún menor.
El rendimiento de los sustratos multicapa debe enfatizar una baja constante dieléctrica, un bajo coeficiente de expansión térmica (CTE) y una alta resistencia al calor, lo que se refiere a sustratos que satisfacen el objetivo de rendimiento manteniendo un bajo costo. En la actualidad, la tecnología MSPA de laminación dieléctrica aislante acoplada con lámina de cobre delgada se aplica en la producción en volumen de circuitos finos. SAP se utiliza para fabricar patrones de circuito cuyo valor tanto de L como de S es inferior a 10 μm.
La alta densidad y delgadez de las PCB conduce a la conversión de PCB HDI desde laminación con núcleo a cualquier capa sin núcleo. Para las PCB HDI con las mismas funciones, el área y el grosor de aquellas con interconexión en cualquier capa se reducen en un 25 % en comparación con las que tienen laminación con núcleo. En ambas PCB HDI debe aplicarse una capa dieléctrica más delgada y con mejor rendimiento eléctrico.
Requisito derivado de alta frecuencia y alta velocidad
La tecnología de comunicación electrónica ha estado evolucionando de cableada a inalámbrica, de baja frecuencia y baja velocidad a alta frecuencia y alta velocidad. El rendimiento de los teléfonos inteligentes ha ido avanzando de 4G a 5G, con una creciente demanda de mayor velocidad de transmisión y mayor capacidad de transmisión.
La llegada de la era global de la computación en la nube ha provocado un aumento múltiple del tráfico de datos, con una tendencia evidente hacia frecuencias y velocidades más altas en los dispositivos de comunicación. Para satisfacer los requisitos de transmisión de alta frecuencia y alta velocidad, el material de alto rendimiento se convierte en el elemento más esencial, además de la reducción de la interferencia y el consumo de la señal, la integridad de la señal y la compatibilidad de fabricación con los requisitos de diseño en términos de diseño de PCB.
La labor principal de los ingenieros recae en los atributos de pérdida de señal eléctrica para mejorar la velocidad de la PCB y abordar los problemas de integridad de señal. Basado en los servicios de fabricación de PCBCart durante más de veinte años, como factor clave que influye en la selección del material del sustrato, cuando la constante dieléctrica (Dk) es inferior a 4 y la pérdida dieléctrica (Df) es inferior a 0,010, se considera una placa laminada de Dk/Df medio, y cuando la Dk es inferior a 3,7 y la Df inferior a 0,005, se considera una placa laminada de Dk/Df bajo. En la actualidad, se pueden elegir múltiples tipos de materiales de sustrato en el mercado.
Hasta ahora, el material de sustrato de placa de circuito de alta frecuencia de uso común se presenta principalmente en tres tipos: resina de la serie de flúor, resina PPO o PPE y resina epoxi modificada. El sustrato dieléctrico de la serie de flúor, por ejemplo PTFE, que presenta el rendimiento dieléctrico más bajo, se utiliza normalmente en productos con una frecuencia de 5 GHz o más. Mientras que el sustrato de epoxi modificado FR-4 o PPO se utiliza en productos con una frecuencia en el rango de 1 GHz a 10 GHz.
Al comparar los tres tipos de materiales de sustrato de alta frecuencia, la resina epoxi presenta el precio más bajo, mientras que la resina de la serie fluorada es la más cara. En cuanto a la constante dieléctrica, la pérdida dieléctrica, la absorción de agua y las características de frecuencia, la resina de la serie fluorada se comporta mejor, mientras que la resina epoxi es peor. Cuando la frecuencia aplicada por los productos es superior a 10 GHz, solo funciona la resina de la serie fluorada. Las desventajas del PTFE incluyen su alto costo, mala rigidez y un alto coeficiente de expansión térmica.
Para el PTFE, se pueden aplicar grandes cantidades de materiales inorgánicos (como el dióxido de silicio) como material de relleno o tela de vidrio para reforzar la rigidez del material del sustrato y reducir el coeficiente de expansión térmica. Además, debido a que la molécula de politetrafluoroetileno es difícil de combinar con la lámina de cobre como resultado de la inercia de la molécula de politetrafluoroetileno, es necesario implementar un acabado superficial especial compatible con la lámina de cobre. El método de tratamiento consiste ya sea en grabar químicamente la superficie del politetrafluoroetileno para aumentar la rugosidad superficial o en añadir una película de unión para incrementar la capacidad de adhesión. Con la aplicación de este método, el rendimiento dieléctrico posiblemente se verá afectado y será necesario seguir desarrollando todos los circuitos de alta frecuencia de la serie de fluoruro.
Resina aislante única compuesta por resina epoxi modificada o PPE y TMA, MDI y BMI, acoplada con tejido de vidrio, se utiliza con mayor frecuencia. Similar a la CCL FR-4, también presenta una excelente resistencia al calor y propiedades dieléctricas, resistencia mecánica, junto con la capacidad de fabricación de PCB, todo lo cual la hace más popular que las placas de sustrato tipo PTFE.
Además del requisito sobre el rendimiento del material aislante, como la resina mencionada anteriormente, la rugosidad superficial del cobre como conductor también es un elemento importante que influye en la pérdida de transmisión de la señal, lo cual es el resultado del efecto pelicular (Skin Effect). En términos básicos, el efecto pelicular consiste en que la inducción electromagnética generada en los conductores durante la transmisión de señales de alta frecuencia y la inductancia se concentran tanto en el centro del área de la sección del conductor que la corriente o la señal se ve forzada a concentrarse en la superficie del mismo. La rugosidad superficial de los conductores desempeña un papel clave en la afectación de la pérdida de la señal de transmisión, y una baja rugosidad conduce a una pérdida mínima.
A la misma frecuencia, una alta rugosidad superficial del cobre provoca una gran pérdida de señal. Por lo tanto, la rugosidad del cobre superficial debe controlarse en la fabricación práctica y debe ser lo más baja posible siempre que no se vea afectada la adhesión. Debe prestarse mucha atención a las señales dentro de la categoría de 10 GHz o más. Se requiere que la rugosidad del papel de cobre sea inferior a 1 μm y es mejor utilizar papel de cobre de ultra superficie con una rugosidad de 0,04 μm. La rugosidad superficial del papel de cobre debe combinarse con un tratamiento de oxidación adecuado y un sistema de resina adhesiva. En un futuro próximo, posiblemente habrá un tipo de papel de cobre que no tenga contorno recubierto de resina y que presente una mayor resistencia al pelado sin que se vea afectada la pérdida dieléctrica.
Con la tendencia de desarrollo hacia la miniaturización y las altas prestaciones, los dispositivos electrónicos tienden a generar una mayor cantidad de calor, por lo que la gestión térmica de los dispositivos electrónicos exige requisitos cada vez más elevados. Una de las soluciones a este problema radica en la investigación y el desarrollo de PCBs con alta conductividad térmica. La condición principal para que una PCB tenga un buen rendimiento en resistencia y disipación de calor es la capacidad de resistencia y disipación térmica del sustrato. Las mejoras actuales en cuanto a la capacidad de conducción térmica de las PCBs se basan en la optimización mediante resinas y aditivos de relleno, pero esto solo funciona dentro de un rango limitado. El método típico consiste en aplicar IMS o PCBs de núcleo metálico que actúan como componentes de calentamiento. En comparación con los disipadores de calor y ventiladores tradicionales, este método ofrece ventajas como un volumen reducido y un costo bajo.
El aluminio es un material muy atractivo con las ventajas de recursos abundantes, bajo costo y excelentes propiedades de conducción de calor e intensidad.Además, es tan respetuoso con el medio ambiente que se aplica en la mayoría de los sustratos metálicos o núcleos metálicos. Debido a ventajas como economía, conexión eléctrica fiable, conductividad térmica y alta resistencia, sin soldadura y sin plomo, la placa de circuito de base de aluminio se ha aplicado en bienes de consumo, automóviles, productos militares y productos aeroespaciales. No hay duda sobre la resistencia al calor y la capacidad de disipación de las placas de base metálica, y el punto clave radica en el rendimiento de la adhesión entre la placa metálica y el plano del circuito.
En la era de la electrónica moderna, la miniaturización y el adelgazamiento de los dispositivos electrónicos han llevado a la aparición necesaria de PCBs rígidas y PCBs flexo-rígidas. Entonces, ¿qué tipo de material de sustrato es adecuado para ellas?
La ampliación de los campos de aplicación de las PCB rígidas y de las PCB flexo‑rígidas genera nuevos requisitos en cuanto a cantidad y rendimiento. La película de poliimida, por ejemplo, puede clasificarse en múltiples categorías, incluidas transparente, blanca, negra y amarilla, con alta resistencia al calor y un bajo coeficiente de expansión térmica, a fin de aplicarse en diferentes situaciones. Del mismo modo, el sustrato de mylar, con una alta rentabilidad, también será aceptado por el mercado debido a sus ventajas, que incluyen alta elasticidad, estabilidad dimensional, calidad de la superficie de la película, acoplamiento fotoeléctrico y resistencia ambiental, para satisfacer los cambiantes requisitos de los usuarios.
Al igual que con las PCB HDI rígidas, la PCB flexible tiene que adaptarse a las exigencias de transmisión de señales de alta velocidad y alta frecuencia; también deben considerarse la constante dieléctrica y la pérdida dieléctrica del material del sustrato flexible. El circuito flexible puede estar compuesto por politetrafluoroetileno y un sustrato avanzado de poliimida. Se pueden añadir polvo inorgánico y fibra de carbono a la resina de poliimida para dar lugar a la generación de un sustrato flexible de conducción térmica de tres capas. El material de relleno inorgánico puede ser nitruro de aluminio, óxido de aluminio o nitruro de boro hexagonal. Este tipo de material de sustrato se caracteriza por una conductividad térmica de 1,51 W/mK y es capaz de resistir un voltaje de 2,5 kV y una curvatura de 180 grados.
Los PCB flexibles se aplican principalmente en teléfonos móviles inteligentes, dispositivos wearables, equipos médicos y robótica, lo que exige nuevos requisitos para la estructura de los PCB flexibles. Hasta ahora, se han desarrollado algunos productos nuevos que contienen PCB flexibles, como los PCB flexibles multicapa ultrafinos, cuyo grosor se ha reducido de 0,4 mm a 0,2 mm. Los PCB flexibles de transmisión de alta velocidad pueden alcanzar una velocidad de transmisión de 5 Gbps gracias a la aplicación de material de sustrato de poliimida con baja Dk y Df. Los PCB flexibles para alta potencia utilizan conductores cuyo grosor es superior a 100 μm, a fin de satisfacer los requisitos de circuitos con alta potencia y gran corriente. Todos estos PCB flexibles especiales requieren de forma natural materiales de sustrato no convencionales.
Este artículo habla sobre las directrices para seleccionar el material de sustrato para tus placas de circuito impreso desde una perspectiva científica y profesional. Cuando se trata de ti, que no tienes claros esos términos relacionados con las propiedades del material de sustrato, como la constante dieléctrica (Dk), el factor de disipación (Df), la rugosidad superficial, la temperatura de descomposición térmica, el CTE, etc., aquí se presenta una forma rentable de decidir un material de sustrato adecuado.
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