Guía de selección de materiales de PCB

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• Propiedades térmicas
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• Impacto de la potencia y el calor en la selección de materiales de PCB
• Tableros flexibles y rígido-flexibles
• Compre PCB de Millennium Circuits Limited

Con todos los tipos de materiales de PCB, el propósito es conducir la electricidad y proporcionar aislamiento entre las capas conductoras de cobre. FR-4 es el material más utilizado en esta categoría. Sin embargo, las necesidades de su placa dependerán invariablemente de varias propiedades del material de PCB. Lea la siguiente guía de selección de materiales de PCB para saber qué buscar cuando se trata de las propiedades térmicas, eléctricas, químicas y mecánicas de los diferentes tipos de materiales de PCB.

Opciones de materiales de PCB, clasificaciones y consideraciones sobre las propiedades del sustrato

Propiedades Térmicas

• Temperatura de transición vítrea (Tg): Un sustrato de PCB se ablanda cuando se expone a temperaturas por encima de cierto umbral. El sustrato se endurece de nuevo a su estado natural una vez que se retira del calor. El rango en el que se puede aplicar esta transformación a un sustrato se conoce como temperatura de transición vítrea (Tg), una unidad expresada en grados Celsius.
• Temperatura de descomposición (Td): Cuando se expone a temperaturas superiores a un cierto umbral, un sustrato de PCB se descompondrá. En el proceso, el PCB pierde el cinco por ciento o más de su masa total. El rango de temperatura en el que ocurre este proceso se conoce como temperatura de descomposición (Td), que se expresa en grados Celsius. Mientras que los efectos de una transformación Tg se revierten una vez que el material se retira de su temperatura de transición vítrea, los efectos de la temperatura de descomposición en un sustrato son permanentes. Como tal, es mejor usar un material de PCB que pueda manejar el rango de temperatura de su entorno de trabajo. La temperatura requerida para soldar un sustrato de PCB generalmente está entre 200 °C y 250 °C. Idealmente, la Tg debe estar por debajo de ese rango y la Td debe ser mayor.
• Coeficiente de Expansión Térmica (CTE): La tasa de expansión de una PCB se conoce como su CTE. Cuando un sustrato se expone a temperaturas que exceden su Tg, el material también experimentará un aumento en el CTE, que se mide en partes por millón (ppm). Un sustrato generalmente tendrá un CTE más alto que una capa de cobre. Esta diferencia es a veces la fuente de problemas de interconexión cuando se aplica calor. Debido a las limitaciones del vidrio tejido alrededor del material de PCB, el CTE suele estar en el rango de 10 a 20 ppm en los ejes X e Y. Incluso cuando la temperatura supera el umbral de Tg, el CTE permanece igual. El CTE debe mantenerse al mínimo en el eje porque esta es la dirección en la que se expandirá el material. Para estar seguro, se recomienda un CTE de 70 ppm o menos.

• Conductividad térmica (k): Las propiedades conductoras de calor de una PCB se conocen como conductividad térmica (k). La conductividad térmica de un material se correlaciona directamente con la capacidad de la PCB para transferir calor. Si el nivel k es bajo, también lo será el nivel de transferencia de calor, y viceversa. Las tasas de conductividad térmica se miden en vatios por metro (W/M) en Kelvin (K). El rango de conductividad térmica para muchos materiales dieléctricos está entre 0,3 y 6 W/mk. En comparación, el cobre tiene un nivel k de 386 W/M. -ºC. Como tal, la capa de cobre transporta el calor más rápido que el dieléctrico en una PCB.

Propiedades eléctricas

• Constante dieléctrica o permitividad relativa (Er o Dk): Dos de los factores más importantes que determinan el rendimiento eléctrico de una constante dieléctrica son la impedancia y la integridad de la señal. La constante dieléctrica (Er) o la permitividad relativa (Dk) de un material de PCB está generalmente entre 3,5 y 5,5. El nivel de Er de un material depende de la frecuencia y, por lo general, disminuirá a medida que aumente la frecuencia. El nivel de Dk cambia menos en ciertos materiales de PCB que en otros. Para que un material sea seguro para aplicaciones que involucran altas frecuencias, debe mantener una constante dieléctrica estable en un amplio rango de frecuencias.

• Tangente de pérdida dieléctrica o factor de disipación (Tan δ o Df): Un material pierde menos potencia si su tangente de pérdida es baja. La tangente de pérdida dieléctrica (Tan δ) de los materiales utilizados en las placas de circuito impreso está generalmente en el rango de 0,02 a 0,001. La primera cifra se aplica a los materiales más utilizados. Sin embargo, esta última cifra generalmente se aplica a materiales de alta gama. Tan δ también aumenta junto con la frecuencia. Cuando se trata de circuitos digitales, la tangente de pérdida es generalmente un factor de menor importancia. Las expectativas de esta regla incluirían cualquier aplicación donde el nivel de frecuencia exceda 1Ghz. La tangente de pérdida tiene más consecuencias para las señales analógicas.
• Resistividad de volumen (ρ): La resistencia de un material dieléctrico al aislamiento oa la electricidad se conoce como resistencia volumétrica (ρ). Es menos probable que el material de PCB con alta resistividad facilite las cargas eléctricas. Los ohmios-metros (Ω-m), así como los ohmios-centímetros (Ω-cm), se utilizan para medir la resistividad de un dieléctrico dado. Como todos los aislantes dieléctricos, el material de una placa de circuito impreso debe tener una alta resistividad, preferiblemente en el rango de 10 ³ a 10 ¹⁰ Megaohmios-centímetros. Los factores externos como el calor, el frío y la humedad pueden tener un impacto en la resistividad de un material.
• Resistividad superficial (ρS): La resistencia superficial de un material dieléctrico al aislamiento y la electricidad se conoce como resistividad superficial (ρS). Al igual que con el nivel de ρ de un material, el ρS debe ser alto, preferiblemente en el rango de 10 ³ a 10 ⁹ cMegaohmios por cuadrado. Al igual que con ρ, el nivel de ρS de un material puede verse afectado por las temperaturas extremas y la humedad.
• Fuerza eléctrica: En la dirección Z de una placa de circuito impreso, la capacidad de un material dieléctrico para resistir una ruptura eléctrica se denomina fuerza eléctrica, que se mide en voltios/mil. La mayoría de los materiales de PCB tienen una fuerza eléctrica de entre 800 V/mil y 1500 V/mil.

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Impacto de la energía y el calor en la selección de materiales de PCB

Propiedades químicas

• Especificaciones de inflamabilidad (UL94): Las propiedades ignífugas de los plásticos, también conocidas como inflamabilidad de los plásticos, se clasifican de mayor a menor en el Estándar de seguridad de inflamabilidad de materiales plásticos para piezas en dispositivos y aparatos (UL94). Los requisitos para materiales de PCB en UL94 establecen que las muestras no pueden arder durante más de 10 segundos con combustión con llama. Para un conjunto de cinco especímenes, los especímenes combinados no pueden arder por más de 50 segundos con combustión con llamas.
• Absorción de humedad: Cuando se sumerge en líquido, la capacidad de un material dieléctrico para soportar este tipo de exposición se denomina absorción de humedad. La mayoría de los materiales de PCB tienen un valor de absorción de humedad entre 0,01 y 0,20 por ciento. Las propiedades eléctricas y térmicas de un dieléctrico están influenciadas por la absorción de humedad del material.
• Resistencia al cloruro de metileno: La resistencia química de un material de PCB se conoce como resistencia al cloruro de metileno (MCR), que mide más directamente la resistencia de un dieléctrico a la absorción de cloruro de metileno. Los dieléctricos suelen tener un MCR de entre 0,01 % y 0,20 %.

Placas Flex y Rígido-Flex

Propiedades mecánicas

• Fuerza de pelado: La capacidad de unión entre las capas dieléctrica y de cobre en una placa de circuito impreso se conoce como resistencia al pelado. Durante la etapa de fabricación de PCB, la resistencia al pelado se prueba en trazas de cobre de una onza de espesor bajo las siguientes tres condiciones:después del estrés térmico, a altas temperaturas y después de la exposición química.
• Resistencia a la flexión: La capacidad de un material dieléctrico para soportar la tensión física sin romperse se conoce como resistencia a la flexión, que se mide en kilogramos por metro cuadrado o libras por pulgada cuadrada. Para probar la resistencia a la flexión de una placa de circuito impreso, se aplica fuerza en el centro mientras que solo se apoyan los extremos. La rigidez dieléctrica también se mide por el módulo de tracción, que determina la relación tensión/deformación de un material de PCB y qué tan bien se mantiene en cada dirección. El módulo de tracción a menudo se denomina módulo de Young, que algunos fabricantes utilizan en lugar de la resistencia a la flexión como medida de la capacidad de una placa de circuito impreso para resistir la tensión.
• Densidad: La densidad de un material dieléctrico se mide en gramos por centímetro cúbico (g/cc). Alternativamente, la densidad de PCB también se puede medir en libras por pulgada cúbica (lb/in^3).
• Tiempo de delaminación: La duración de la resistencia de un material dieléctrico a los efectos que causan la deslaminación se conoce como "tiempo de deslaminación", que determina cuánto tiempo tardarán las capas de una placa de circuito impreso en separarse una de otra cuando se exponen a temperaturas superiores a un cierto umbral. Un material de PCB, ya sea laminado o fibra de vidrio, también puede delaminarse si se expone a choque térmico o humedad.

Lea más sobre las placas Flex y Rigid-Flex

Material para consideraciones de HDI

Factores como la lámina de cobre de baja calidad y los dieléctricos pueden afectar los mecanismos de una PCB. Con la selección adecuada de materiales dieléctricos, puede evitar que su placa de circuito envíe señales defectuosas.

La naturaleza molecular de los dieléctricos puede hacer que su sistema sea vulnerable a pérdidas. Cada vez que se genera una señal, los campos magnéticos dentro de las moléculas vibran. Los efectos de esto están determinados por la altura de la frecuencia de la señal. Cuando se producen vibraciones, la energía se convierte en calor y, en consecuencia, se pierde en el sistema.

Los conductores de cobre también pueden ser causa de pérdidas dentro de un sistema. Cuando los electrones se desvían del centro de un conductor, la frecuencia sube. Por ejemplo, un conductor de cobre con acabado de níquel sufrirá pérdidas cuando cantidades significativas de corriente fluyan a través del níquel en lugar del cobre. Un conductor compuesto completamente de cobre también puede sufrir pérdidas si hay microcrestas, ya que pueden enviar la corriente hacia arriba y hacia abajo y causar resistencia.

Más información sobre las placas HDI

¿Qué características puede elegir?

Para evitar pérdidas en su sistema, verifique sus opciones en las dos categorías siguientes para asegurarse de seleccionar los materiales que mejor se adapten a las altas frecuencias:

• Sustrato: Varios materiales están contenidos dentro del sustrato de una placa de circuito impreso, como epoxi y fibras de vidrio. Un sustrato debe tener una constante dieléctrica baja para producir circuitos de alta frecuencia.
• Hoja: Hay varios tipos diferentes de láminas que se pueden aplicar al cobre. Seleccione un cobre que pueda minimizar la resistencia de manera más confiable.

Los sustratos y láminas de baja calidad y que no coinciden pueden generar pérdidas costosas, pero las opciones correctas pueden ayudarlo a obtener un rendimiento de PCB duradero.

Prácticas recomendadas y consideraciones adicionales

Para seleccionar el mejor sustrato y lámina para aplicaciones de alta frecuencia, debe tener en cuenta ciertas prácticas:

• Haga coincidir las constantes dieléctricas: En una placa de circuito impreso, los Dk de las diferentes constantes dieléctricas deben coincidir entre sí. Si los Dk se contradicen, es probable que ocurran problemas. Un ejemplo de DK no coincidentes podría ser una resina emparejada con una capa tejida.
• Coeficiente de coincidencia de expansión térmica (CTE): De las cualidades del sustrato relacionadas con la temperatura, el CTE es el más importante. Al igual que con Dk, el CTE entre dos sustratos debe coincidir. De lo contrario, los dos sustratos podrían expandirse a diferentes velocidades y consistencias. Durante el proceso de fabricación, los diferentes CTE pueden provocar defectos. Cuando la PCB está en uso, los CTE en conflicto podrían afectar a los Dk.
• Tejido de sustrato apretado: El sustrato debe estar bien tejido para que el material y la malla interactúen correctamente. De lo contrario, los DK se verán afectados negativamente.
• No utilice FR-4: Debido a su bajo costo, FR-4 es una opción común. Sin embargo, para circuitos que generan altas frecuencias, el FR-4 no es un material adecuado.
• Use solo láminas lisas: Para mitigar las pérdidas en las frecuencias más altas, utilice una lámina de cobre lisa.
• Utilice una lámina conductora: Los malos conductores pueden tener un efecto amortiguador en el circuito. Para asegurarse de que esto no suceda, utilice únicamente la lámina conductora adecuada.

Cuando se trata de PCB, el rendimiento tiene que ver con la calidad, que solo puede garantizar con piezas de alta calidad y bien combinadas. Mientras revisa los catálogos y considera qué PCB se adapta mejor a sus necesidades, tenga en cuenta también las siguientes consideraciones:

• Coste: Los sustratos de buena calidad pueden ser una inversión considerable. El hecho es que obtienes lo que pagas cuando se trata de placas de circuito impreso. Si no está dispuesto a invertir adecuadamente, puede perder mucho más en el futuro a medida que fallan las piezas.

• Defectos de fabricación: Con cualquier material diseñado para funcionar a altas frecuencias, siempre es aconsejable verificar dos veces los posibles defectos, que son comunes en el PTFE y otros materiales.

Cuando selecciona los materiales adecuados, invierte la cantidad correcta de efectivo y comprueba si hay defectos de fabricación, es mucho más probable que obtenga muchos años de rendimiento sin pérdida de su placa de circuito impreso.

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