Materiales de PCB

Guía de selección de materiales para PCB

La PCB es la parte más importante de la electrónica. Alternativamente, el acrónimo también se ha utilizado para referirse a placas de cableado impreso y tarjetas de cableado impreso, que son esencialmente lo mismo. Debido al papel crucial de estas placas en todo, desde computadoras hasta calculadoras, la selección del material de la placa de circuito impreso debe realizarse con cuidado y conocimiento de las necesidades eléctricas de un determinado equipo.

Antes del desarrollo de la PCB, los materiales de las placas de circuito estaban en su mayoría cubiertos por nidos de cables enredados y superpuestos que podían fallar fácilmente en ciertos puntos. También podían producir cortocircuitos cuando el paso del tiempo hacía que ciertos cables comenzaran a agrietarse. Como era de esperar, el proceso manual que implicaba el cableado de estas primeras placas era confuso y laborioso.

A medida que una variedad cada vez mayor de componentes electrónicos cotidianos comenzó a depender de las placas de circuito, se inició una carrera para desarrollar alternativas más simples y compactas, lo que llevó al desarrollo del material PCB. Con los materiales PCB, los circuitos pueden enrutar señales entre una gran cantidad de componentes diferentes. El metal que facilita la transferencia de corriente entre la placa y cualquier componente conectado se conoce como soldadura, que también cumple una doble función gracias a sus propiedades adhesivas.

Composición del material de PCB

La PCB generalmente consta de cuatro capas, que se laminan térmicamente juntas en una sola capa.Los diferentes tipos de materiales de PCB utilizados en una PCB de arriba hacia abajo incluyen serigrafía, máscara de soldadura, cobre y sustrato.

La última de esas capas, el sustrato, está hecha de fibra de vidrio ytambién se conoce como FR4, con las letras FR que significan "retardante de fuego". Esta capa de sustrato proporciona una base sólida para las PCB, aunque el grosor puede variar según los usos de una placa determinada.

También existe en el mercado una gama más económica de placas que no utilizan los mismos materiales de sustrato de PCB mencionados anteriormente, sino que están compuestas de fenólicos o epoxis. Debido a la sensibilidad térmica de estas placas, tienden a perder su laminación con facilidad. Estas placas más baratas suelen ser fáciles de identificar por el olor que desprenden al ser soldadas.

La segunda capa de la PCB es de cobre, la cual se lamina sobre el sustrato mediante una combinación de calor y adhesivo. La capa de cobre es delgada y, en algunas placas, hay dos capas de este tipo: una por encima y otra por debajo del sustrato. Las PCBs con solo una capa de cobre suelen utilizarse en dispositivos electrónicos más económicos.

El ampliamente utilizadolaminado revestido de cobre(CCL) puede clasificarse en diferentes categorías según distintos criterios de clasificación, incluidos el material de refuerzo, el adhesivo de resina utilizado, la inflamabilidad y el rendimiento del CCL. La clasificación resumida del CCL se muestra en la siguiente tabla.

Encima de la máscara de soldadura verde se encuentra la capa de serigrafía, que añade letras e indicadores numéricos que hacen que una PCB sea legible para los programadores técnicos. Esto, a su vez, facilita que los ensambladores de productos electrónicos coloquen cada PCB en el lugar adecuado y en la dirección correcta sobre cada componente. La capa de serigrafía suele ser blanca, aunque a veces también se utilizan colores como rojo, amarillo, gris y negro.

Términos Técnicos de Capas de PCB

Además de saber cómoLa PCB está en capas, debe conocer los términos técnicos que acompañan el uso de las PCB:

• Anillo anular. El anillo de cobre que rodea los orificios en una PCB.

• RDCAcrónimo de verificación de reglas de diseño. Esencialmente, DRC es una práctica mediante la cual se verifica el diseño de una PCB para comprobar su funcionalidad. Los detalles que se revisan incluyen el ancho de las pistas y los orificios de perforación.

• Golpe de taladro. Se utiliza para describir todos los orificios en una PCB, ya sean correctos o mal ubicados. En algunos casos, un orificio puede ser ligeramente incorrecto debido al uso de equipo de perforación desgastado durante la producción.
• Dedo. Metal expuesto a lo largo del borde de la placa que sirve como puntos de conexión entre dos PCB. Los contactos (“fingers”) se encuentran con mayor frecuencia en videojuegos antiguos y tarjetas de memoria.
• Trozos de ratón. Una sección de PCB perforada en exceso hasta el punto de poner en peligro la integridad estructural de la placa.
• Almohadilla. Un área de metal expuesto en una PCB, sobre la cual generalmente se aplica una pieza soldada.
• Panel.Una gran placa de circuito compuesta por placas más pequeñas, que finalmente se separan para su uso individual.
• Pegar plantilla. Una plantilla metálica sobre una placa, sobre la cual se coloca pasta para soldar.
• Avión. Una sección más grande de cobre expuesto en una PCB, que está marcada por bordes pero carece de una pista.
• Orificio metalizadoUn orificio que atraviesa directamente una PCB, generalmente con el propósito de conectar otro componente. El orificio está metalizado y normalmente presenta un anillo anular.
• RanuraCualquier orificio que no sea circular. Las PCB con ranuras suelen tener un precio elevado debido a los costos de producción de crear orificios de formas extrañas en una placa de circuito. Las ranuras normalmente no están metalizadas.
• Montaje en superficie. Un método mediante el cual las partes externas se montan directamente en la PCB sin orificios pasantes.
• Traza. Una línea continua de cobre a través de una PCB.
• Puntuación V. Un lugar donde la placa ha sido parcialmente cortada. Esto puede hacer que una PCB sea vulnerable a romperse.
• VíaUn orificio a través del cual las señales viajan entre capas. Las versiones cubiertas están recubiertas con máscara de soldadura protectora, mientras que las vías sin recubrimiento se utilizan para la fijación de conectores.

El número que precede a una capa se refiere al número exacto de capas conductoras, ya sea una capa de ruteo o de plano, los dos tipos de capas. Las capas tienden a tener el número 1, o cualquiera de los siguientes cuatro números pares: 2, 4, 6, 8. Las placas de capas a veces tienen números impares, pero estos son poco frecuentes y apenas supondrían diferencia alguna. Por ejemplo, el material base del PCB en una placa de 5 capas o de 6 capas sería prácticamente idéntico.

Los dos tipos de capas tienen funciones diferentes. Las capas de enrutamiento presentan pistas. Las capas de plano sirven como conectores de alimentación y presentan planos de cobre. Las capas de plano también presentan islas que determinan el propósito de señalización de una placa, ya sea de 3,3 V o de 5 V.

FR4 es el nombre en clave de las láminas laminadas de epoxi reforzado con fibra de vidrio. Debido a su resistencia, así como a su capacidad para soportar la humedad y el fuego, FR4 es uno de los materiales más populares entre todos los tipos de materiales para PCB.

Consideraciones adicionales de diseño de PCB

Una cifra como 1,6 mm se utiliza para indicar el grosor de una placa de capas. En placas de 4 capas, 1,6 mm es la medida estándar. Las placas con mayor grosor, por ejemplo, ofrecerán más soporte cuando sea necesario sostener objetos de conexión pesados.

El espesor estándar de cobre en las capas de plano es de 35 micras. Alternativamente, el espesor de cobre a veces se indica en onzas o gramos. Es mejor optar por un espesor de cobre superior al normal en las placas que soportan muchas aplicaciones.

Las pistas no están diseñadas para transferir potencia, pero esto puede suceder a veces cuando las señales no manejan adecuadamente las frecuencias. Si el problema no se mantiene bajo control, las pistas podrían terminar perdiendo grandes cantidades de potencia. Para transferir la mayor cantidad posible de potencia de un lado de una pista al otro, el diseño de la pista debe tener en cuenta las ecuaciones de transmisión.

En general, dos pulgadas es la distancia de pista adecuada en placas de capas que consisten en material PCB FR4 con pistas de cobre, siempre que el tiempo de la señal sea de un nanosegundo. Sin embargo, debe considerar los efectos de la línea de transmisión para longitudes de pista elevadas, especialmente si la integridad de la señal es crucial. Internet está lleno de programas y hojas de cálculo diseñados para ayudar a las personas a realizar cálculos de impedancia adecuados para placas de capas específicas.

En la mayoría de las placas, las vías están vacías y normalmente se puede ver a través de ellas. No obstante, existen diversas circunstancias en las que las vías pueden rellenarse. Para empezar, es necesario que las vías se rellenen cuando se trata de formar barreras protectoras contra el polvo y otras impurezas. En segundo lugar, las vías pueden rellenarse para aumentar la capacidad de conducción de una corriente, en cuyo caso se pueden utilizar materiales conductores. Otra razón por la que las vías pueden rellenarse es para nivelar una placa.

Los orificios pasantes suelen rellenarse con piezas de matriz de rejilla de bolas (BGA). Si se produce contacto entre un pin BGA y una capa interna, la soldadura podría deslizarse a través del orificio pasante y llegar a otra capa. Por lo tanto, los orificios pasantes se rellenan para garantizar que la soldadura no se filtre a otra capa y que la integridad de los contactos se mantenga según lo previsto.

Una de las incidencias más problemáticas en una placa de capas es cuando un contacto se interrumpe y restablece en algún punto de la placa. Cuanto más ocurre esto, antes es probable que esa parte de la placa falle por completo. El usuario promedio de electrónica doméstica experimentará este problema cuando uno de los botones de una calculadora deja de funcionar. Cada botón presiona sobre una parte específica de una placa de capas, y cuando un punto se vuelve defectuoso, el botón que se corresponde con ese punto no puede enviar su señal.

Otra forma en que los contactos pueden desgastarse en ciertos puntos es cuando se coloca una ranura secundaria para tarjetas en una placa base. Si la tarjeta se manipula de forma inadecuada, uno de los puntos a lo largo de la tarjeta podría dañarse y dejar de funcionar a partir de entonces. La mejor manera de proteger las superficies de las placas que hacen contacto entre sí es mediante el uso de una capa de oro, que actúa como una barrera que prolonga la vida útil. Sin embargo, el oro puede ser costoso y su uso en las lengüetas añade otro paso al proceso de fabricación de PCB.

Máscara de soldadura de PCB

El color que la mayoría de la gente conoce cuando se trata de placas base es el verde,el color de la máscara de soldaduraAunque no es tan común, la máscara de soldadura también aparece a veces en otros colores, como rojo o azul. La máscara de soldadura también se conoce por el acrónimo LPISM, que significa “liquid photo imageable soldermask” (máscara de soldadura fotoimagenable líquida). El propósito de la máscara de soldadura es evitar la fuga de soldadura líquida. En los últimos años, los casos de esto se han vuelto más comunes debido a la falta de máscara de soldadura. Sin embargo, según la mayoría de las opiniones, los usuarios generalmente prefieren las placas que tienen máscara de soldadura a las que no la tienen.

Una vez que se ha aplicado la máscara de soldadura a la PCB, la PCB se somete a soldadura fundida. A medida que ocurre este proceso, las superficies expuestas de cobre se recubren de soldadura. Todo el proceso se conoce como nivelación por aire caliente (HASL). Cuando se sueldan los chips SMD, la placa se calienta hasta el punto en que la soldadura adquiere una forma fundida y los componentes se colocan en su lugar correcto. A medida que la soldadura se seca, los componentes también quedan soldados. El proceso HASL suele incluir plomo como uno de los compuestos en la soldadura, aunque también existen opciones sin plomo.

La separación del ancho de pista se indica con un guion. Por ejemplo, cuando veas la cifra 6/6 mils, eso especifica 6 mils como el ancho mínimo de pista, así como el espaciamiento mínimo entre pistas. Por lo tanto, todas las separaciones en la placa en cuestión deben cumplir o superar los 6 mils. Para quienes no estén familiarizados, las unidades mils se utilizan para determinar distancias en materiales de PCB. El ancho y el espaciamiento son especialmente importantes en el caso de placas diseñadas para manejar grandes cantidades de corriente.

Cuando una placa PCB es multicapa, no se pueden examinar visualmente varias pistas para comprobar su accesibilidad. Por lo tanto, se realiza una prueba que coloca sondas en el extremo de las pistas para verificar que todas las señales sean accesibles. La prueba se lleva a cabo aplicando voltios desde un extremo. Si estos voltajes se detectan desde el otro lado, se considera que las pistas están en buen estado de funcionamiento. Aunque la prueba no siempre es esencial en placas con solo una o dos capas, sigue siendo recomendable si realmente te importa la calidad.

Las vías que conectan las capas internas y externas se conocen como vías ciegas. El nombre se debe al hecho de que dichas vías solo pueden verse desde un lado. Las vías que conectan dos o más capas internas se conocen como vías enterradas, las cuales no pueden verse desde el exterior por ninguno de los lados. En las placas que contienen vías ciegas y enterradas, a menudo se utiliza el relleno de vías. Esto mantiene la superficie exterior más segura y ayuda a reducir la posibilidad de que la soldadura se deslice y penetre en las vías internas.

Selecciones de materiales que afectan el costo

Las PCB suelen costar más cuando contienen características como pestañas de oro, vías ciegas o enterradas, o relleno de vías. Del mismo modo, las PCB con separación de línea/ancho por debajo de 6 mils también tienden a costar más. La razón de estos precios más altos es el proceso alternativo que interviene en la producción de placas PCB poco comunes. Del mismo modo, ciertasProducción de PCBresultan ser mucho menos rentables o exitosos cuando se incluyen mils bajos o vías internas, y el precio más alto se establece para recuperar las pérdidas. Existen fabricantes que producen PCB con medidas de línea/espacio tan bajas como 3 mils, pero en general esto no se recomienda a menos que sea tu única opción para un componente en particular.

Impacto de la potencia y el calor en la selección de materiales para PCB

De todos los factores que afectan a las PCB, dos de los más intensos son la potencia y el calor. Por lo tanto, es crucial determinar los umbrales de cada uno, lo cual puede hacerse evaluando la conductividad térmica de una PCB. Esto define cómo la potencia en vatios se convierte en temperatura a lo largo de la longitud del material. Sin embargo, no existen valores establecidos a nivel de la industria para la conductividad térmica.

Por ejemplo, Rogers Corp. ofrece un material para PCB, RT/duroid 5880, que se utiliza a menudo en guerra electrónica (EW) y comunicaciones. La constante dieléctrica de este material es baja, ya que es un material compuesto que contiene elementos de vidrio microfibroso. Estas microfibras tienen como objetivo aumentar la resistencia de la fibra en el material.

Aunque la PCB es ideal para aplicaciones que utilizan altas frecuencias, la baja conductividad térmica del material hace que se caliente fácilmente, lo que puede ser una gran desventaja en aplicaciones con alta generación de calor.

Materiales de PCB y aplicaciones industriales

Para aplicaciones en los sectores militar, aeroespacial, automotriz y médico, las PCB se fabrican en variedades de una y de dos caras, algunas de las cuales están recubiertas de cobre y otras utilizan aluminio. En cada una de estas industrias, el material se utiliza para lograr el máximo rendimiento en áreas específicas. Por lo tanto, los materiales del núcleo de las PCB se seleccionan por su ligereza en ciertas industrias o por su capacidad para manejar grandes cantidades de energía en otras. Así, cuando se tienen en cuenta las aptitudes de rendimiento, es crucial determinar qué funciones deben compararse entre sí al seleccionar las materias primas de las PCB, ya que los niveles de material se correlacionan con los niveles de rendimiento.

Placas flexibles y rígido-flexibles

En los últimos años, flex yplacas rígido-flexibleshan ganado popularidad debido a las opciones que permiten para una variedad de usos. Básicamente, se pueden doblar, plegar e incluso envolver alrededor de objetos, por lo que pueden utilizarse para lograr aplicaciones que nunca serían posibles con placas de circuito planas. Por ejemplo, una placa flexible podría utilizarse en un equipo que requiera que una placa se doble en un ángulo y aún así transporte corriente de un extremo al otro sin necesidad de paneles de conexión.

La mayoría de las placas flexibles del mercado están compuestas de Kapton, una película de poliimida originada por la corporación DuPont. La película presenta cualidades como resistencia al calor, estabilidad dimensional y una constante dieléctrica de solo 3,6.

Kapton viene en tres versiones de Pyralux:
• Retardante de llama (FR)
• No ignífugo (NFR)
• Sin adhesivo / alto rendimiento (AP)

Selección de materiales para placas PCB: la calidad es lo primero

Cuando se trata de seleccionar materiales para placas de circuito impreso (PCB), la calidad es de suma importancia en la construcción de cualquier tipo de placa, ya sea que esté destinada a la electrónica doméstica o a equipos industriales. Un componente que contiene una placa de circuito impreso puede ser grande o pequeño, barato o caro, pero lo que más importa es que el artículo en cuestión ofrezca un rendimiento superior durante toda la duración de su vida útil esperada.

Si bien existen varios tipos de materiales de PCB que se utilizan en una placa determinada, la fiabilidad del producto es, en última instancia, lo que los consumidores y las empresas buscan en los productos que utilizan placas de circuito. Por supuesto, también es crucial que los materiales de la placa PCB sean lo suficientemente resistentes como para mantenerse unidos, incluso si un componente se cae accidentalmente o se golpea de lado.

En los equipos informatizados, por ejemplo, las PCB duraderas garantizan que se puedan realizar actualizaciones de hardware sin dañar los materiales de la placa de circuito impreso preexistente. Lo mismo se aplica a los dispositivos electrónicos, los microondas y otros aparatos domésticos que dependen de la tecnología de PCB para mantenerse en funcionamiento. Incluso en instalaciones públicas electrónicas como los cajeros automáticos, las PCB deben funcionar sin fallos para que los botones respondan y las órdenes se procesen sin demora.

PCBCart ofrece una gama completa de servicios de fabricación y ensamblaje de PCB. Gracias a nuestros más de 20 años de experiencia y a nuestras tecnologías innovadoras, somos capaces de manejar diferentes materiales de laminado y sustrato, incluidos FR4, Rogers, etc., que son los más populares y ampliamente utilizados.Nuestros servicios han sido utilizados por ingenieros de diversos sectores industriales, con objetivos únicos en lo que respecta al funcionamiento y la operatividad de los componentes que utilizan PCB.

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