Elección del Material de PCB Adecuado: Guía Completa

Ir a:

• Propiedades Térmicas
• Propiedades Eléctricas
• Impacto de Potencia y Calor en la Selección de Material PCB
• Placas Flex y Rigid-Flex
• Compre PCB en Millennium Circuits Limited

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

Opciones de Material PCB, Clasificaciones y Consideraciones de Propiedades de Sustrato

Propiedades Térmicas

• Temperatura de Transición Vítrea (Tg): Un sustrato de PCB se ablanda cuando se expone a temperaturas por encima de un cierto umbral. El sustrato se endurece de nuevo a su estado natural una vez removido del calor. El rango en el que esta transformación puede aplicarse a un sustrato se conoce como temperatura de transición vítrea (Tg), una unidad notada en grados Celsius.
• Temperatura de Descomposición (Td): Cuando se expone a temperaturas más allá de un cierto umbral, un sustrato de PCB se descompondrá. En el proceso, el PCB pierde 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), notado en grados Celsius. Mientras que los efectos de una transformación Tg se auto-revierten una vez que el material es removido 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 PCB que pueda manejar el rango de temperatura de su entorno de trabajo. La temperatura requerida para soldar un sustrato de PCB es generalmente entre 200°C y 250°C. Idealmente, el Tg debería estar por debajo de ese rango y el Td debería ser más alto.
• Coeficiente de Expansión Térmica (CTE): La tasa de expansión de un PCB se conoce como su CTE. Cuando un sustrato se expone a temperaturas que exceden su Tg, el material también experimentará un aumento en CTE, que se mide en partes por millón (ppm). Un sustrato generalmente tendrá un CTE más alto que una capa de cobre. Esta diferencia a veces es la fuente de problemas de interconexión cuando se aplica calor. Debido a las restricciones del vidrio tejido alrededor del material PCB, el CTE típicamente está en el rango de 10 a 20 ppm a lo largo de los ejes X e Y. Incluso cuando la temperatura supera el umbral Tg, el CTE permanece igual. El CTE debe mantenerse al mínimo a lo largo del eje Z porque esta es la dirección en la que el material se expandirá. Para estar seguro, se recomienda un CTE de 70 ppm o menos.

• Conductividad Térmica (k): Las propiedades conductoras de calor de un PCB se refieren como conductividad térmica (k). La conductividad térmica de un material se correlaciona directamente con la capacidad del 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. Por comparación, el cobre tiene un nivel k de 386 W/M-°C. Como tal, la capa de cobre transporta calor más rápido que el dieléctrico en un 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 e integridad de señal. La constante dieléctrica (Er) o permitividad relativa (Dk) de un material PCB es generalmente entre 3.5 y 5.5. El nivel Er de un material depende de la frecuencia y usualmente disminuye a medida que la frecuencia sube. El nivel Dk cambia menos en ciertos materiales 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 materiales usados en placas de circuito impreso está generalmente en el rango de 0.02 a 0.001. La primera cifra se aplica a los materiales más ampliamente usados. Sin embargo, la segunda 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 importancia menor. Excepciones a esta regla incluirían cualquier aplicación donde el nivel de frecuencia exceda 1 GHz. La tangente de pérdida es más consecuente para señales analógicas.
• Resistividad Volumétrica (ρ): La resistencia de un material dieléctrico al aislamiento o electricidad se conoce como su resistencia volumétrica (ρ). El material PCB con alta resistividad será menos propenso a facilitar cargas eléctricas. Ohm-metros (Ω·m), así como ohm-centímetros (Ω·cm), se usan para medir la resistividad de un dieléctrico dado. Como todos los aislantes dieléctricos, el material en una placa de circuito impreso debe tener alta resistividad, preferiblemente en el rango de 10³ a 10¹⁰ Megaohm-centímetros. Factores externos como calor, frío y humedad pueden impactar la resistividad de un material.
• Resistividad Superficial (ρS): La resistencia superficial de un material dieléctrico al aislamiento y electricidad se refiere como resistividad superficial (ρS). Al igual que el nivel ρ de un material, el ρS debe ser alto, preferiblemente en el rango de 10³ a 10⁹ Megaohms por cuadrado. Al igual que ρ, el nivel ρS de un material puede ser impactado por extremos de temperatura y humedad.
• Fuerza Eléctrica: A través de la dirección Z de una placa de circuito impreso, la capacidad de un material dieléctrico para resistir una ruptura eléctrica se refiere como fuerza eléctrica, que se mide en Voltios/mil. La mayoría de materiales PCB tienen una fuerza eléctrica entre 800 V/mil y 1500 V/mil.

Solicitar Presupuesto Gratuito

Impacto de Potencia y Calor en la Selección de Material PCB

Propiedades Químicas

• Especificaciones de Inflamabilidad (UL94): Las propiedades retardantes de llama de los plásticos, también conocidas como inflamabilidad de plásticos, se clasifican de mayor a menor en el Estándar de Seguridad de Inflamabilidad de Materiales Plásticos para Partes en Dispositivos y Electrodomésticos (UL94). Los requisitos para materiales PCB en UL94 establecen que las muestras no pueden arder por más de 10 segundos con combustión flameante. Para un conjunto de cinco muestras, las muestras combinadas no pueden arder por más de 50 segundos con combustión flameante.
• Absorción de Humedad: Cuando se sumerge en líquido, la capacidad de un material dieléctrico para resistir este tipo de exposición se refiere como absorción de humedad. La mayoría de materiales PCB tienen un valor de absorción de humedad entre 0.01 por ciento y 0.20 por ciento. Las propiedades eléctricas y térmicas de un dieléctrico son ambas influenciadas por la absorción de humedad del material.
• Resistencia a Cloruro de Metileno: La resistencia química de un material PCB se refiere como resistencia a cloruro de metileno (MCR), que mide más directamente la resistencia de un dieléctrico a la absorción de cloruro de metileno. Los dieléctricos a menudo tienen un MCR entre 0.01 por ciento y 0.20 por ciento.

Placas Flex y Rigid-Flex

Propiedades Mecánicas

• Resistencia al Pelado: La capacidad de unión entre capas dieléctricas 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 pistas de cobre de un onza de grosor bajo las siguientes tres condiciones: después de estrés térmico, a altas temperaturas y después de exposición química.
• Resistencia a la Flexión: La capacidad de un material dieléctrico para soportar estrés físico sin romperse se refiere 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 solo los extremos están apoyados. La resistencia dieléctrica también se mide por el módulo de tracción, que determina la relación estrés/deformación de un material PCB y qué tan bien se mantiene en cada dirección. El módulo de tracción a menudo se refiere como módulo de Young, que se usa en lugar de resistencia a la flexión por algunos fabricantes como medida de la capacidad de un PCB para resistir estrés.
• Densidad: La densidad de un material dieléctrico se mide en gramos por centímetro cúbico (g/cc). Alternativamente, la densidad de PCB también puede medirse en libras por pulgada cúbica (lb/in³).
• Tiempo a Deslaminación: La duración de la resistencia de un material dieléctrico a efectos causantes de deslaminación se refiere como "tiempo a deslaminación", que determina cuánto tiempo tomará para que las capas de un PCB se separen unas de otras cuando se exponen a temperaturas más allá de un cierto umbral. Un material PCB, ya sea laminado o fibra de vidrio, también puede deslaminar si se expone a choque térmico o humedad.

Leer Más Sobre Placas Flex y Rigid-Flex

Consideraciones de Material para HDI

Factores como lámina de cobre de baja calidad y dieléctricos pueden impactar los mecanismos de un PCB. Con la selección adecuada de materiales dieléctricos, puede prevenir 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 ocurren vibraciones, la energía se convierte en calor y se pierde consecuentemente en el sistema.

Los conductores de cobre también pueden ser causa de pérdida 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 verá pérdida como cantidades significativas de corriente fluyen a través del níquel en lugar del cobre. Un conductor compuesto enteramente de cobre también puede ver pérdida si hay microcrestas presentes, ya que estas pueden enviar la corriente arriba y abajo y causar resistencia.

Leer Más Sobre Placas HDI

¿Qué Características Puede Elegir?

Para prevenir pérdida en su sistema, verifique sus opciones en ambas de las siguientes categorías para asegurar que seleccione materiales que sean los más adecuados para 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.
• Lámina: Hay varios tipos diferentes de lámina que pueden aplicarse al cobre. Seleccione un cobre que pueda minimizar la resistencia de manera más confiable.

Sustratos y láminas de baja calidad y mal emparejados pueden llevar a pérdidas costosas, pero las elecciones correctas pueden ayudarle a obtener un rendimiento de PCB duradero.

Mejores Prácticas y Consideraciones Adicionales

Para seleccionar el mejor sustrato y lámina para aplicaciones de alta frecuencia, necesita mantener ciertas prácticas en mente:

• Igualar las Constantes Dieléctricas: En una placa de circuito impreso, las Dk de las diferentes constantes dieléctricas necesitan igualarse entre sí. Si las Dk se contradicen, probablemente ocurrirán problemas. Un ejemplo de Dk mal emparejadas podría ser una resina emparejada con una capa tejida.
• Igualar el Coeficiente de Expansión Térmica (CTE): De las cualidades del sustrato que pertenecen a la temperatura, CTE es la más importante. Al igual que con Dk, el CTE entre dos sustratos debe igualarse. De lo contrario, los dos sustratos podrían expandirse a diferentes velocidades y consistencias. Durante el proceso de fabricación, CTE diferentes pueden resultar en defectos. Cuando el PCB está en uso, los CTE en conflicto podrían impactar las Dk.
• Tejido de Sustrato Ajustado: El sustrato debe ser tejido firmemente para que el material y malla interactúen correctamente. Si no, las Dk serán impactadas negativamente.
• No Use FR-4: Debido a su bajo costo, FR-4 es una opción común. Para circuitos que generan altas frecuencias, sin embargo, FR-4 es un material inadecuado.
• Use Solo Láminas Lisas: Para mitigar pérdidas en las más altas frecuencias, use lámina de cobre lisa.
• Use una Lámina Conductiva: Los malos conductores pueden tener un efecto amortiguador en el circuito. Para asegurar que esto no ocurra, solo use la lámina conductiva adecuada.

Cuando se trata de PCB, el rendimiento se trata de calidad, que solo puede asegurar con partes de alta calidad y bien emparejadas. Mientras mira catálogos y considera qué PCB podría adaptarse mejor a sus necesidades, mantenga las siguientes consideraciones en mente también:

• Costo: Los sustratos de buena calidad pueden ser una inversión considerable. El hecho es, obtiene lo que paga cuando se trata de placas de circuito impreso. Si no está dispuesto a invertir adecuadamente, corre el riesgo de perder mucho más adelante cuando fallen las partes.

• Defectos de Fabricación: Con cualquier material diseñado para operar a altas frecuencias, siempre es sabio verificar dos veces por posibles defectos, que son comunes en PTFE y ciertos otros materiales.

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

Compre PCB en Millennium Circuits Limited

En Millennium Circuits Limited (MCL), proporcionamos placas de circuito impreso de primera línea. Cada PCB que ofrecemos tiene precios competitivos e ingeniería de perfección. Como el principal proveedor de PCB de Pensilvania, es nuestra misión aquí en MCL proporcionar el mejor servicio en volúmenes de pedido de todos los tamaños.

Desde nuestros humildes comienzos en un sótano de Harrisburg, Pensilvania, hasta nuestra actual sede espaciosa, hemos llegado a cientos de clientes alrededor del mundo con nuestros PCB producidos expertamente. Hoy, proporcionamos PCB tanto localmente como en el extranjero, lo que da a nuestros clientes más flexibilidad cuando eligen MCL como su fuente de PCB.

Después de tres años consecutivos siendo nombrados entre las "50 Empresas de Crecimiento Más Rápido en el Centro de PA", MCL fue clasificado entre las 250 principales empresas del estado en 2015, un progreso asombroso para una empresa que comenzó solo 10 años antes con la intención de finalmente crecer hasta convertirse en un proveedor líder de placas de circuito impreso. Con nuestra calificación de calidad "Excelente" del 98 por ciento y nuestro récord de entrega a tiempo del 99 por ciento, el equipo aquí en MCL puede proporcionarle lo mejor en servicio al cliente. Para aprender más sobre nuestros PCB, haga clic en nuestras páginas de productos y servicios y contáctenos hoy para conectar con nuestros representantes.

Solicitar Presupuesto Gratuito