Dominando Laminados PCB: Guía Definitiva para Ingenieros

A menudo, la gente da por sentado cuán compleja puede ser la estructura de las placas de circuito impreso. Dado que usamos PCB para diferentes áreas de aplicación, cada una requiere materiales específicos. Los laminados son un material esencial. Los fabricantes los usan para desarrollar y fabricar PCB. Por lo tanto, es necesario entender los diversos laminados disponibles para ti. Esta guía explorará todo lo que necesitas saber sobre los laminados PCB.

¿Qué son los Laminados PCB?

Un dispositivo robótico que desarrolla PCB miniatura sosteniendo un laminado

Generalmente, los PCB tienen cuatro capas: serigrafía, máscara de soldadura, cobre y sustrato (de arriba a abajo). En consecuencia, estas capas deben unirse para ser una estructura funcional para el PCB. Así, el propósito del laminado PCB es asegurar las capas del PCB juntas.

Los laminados son a menudo materiales revestidos de cobre que típicamente consisten en hojas de resina. La resina que los fabricantes usan para construir laminados es usualmente basada en epoxi. Sin embargo, puede consistir en otras telas. Sin embargo, el fabricante primero cura las hojas usando resina termoestable para crear el laminado. Luego, comprimimos estas hojas de resina juntas aplicando dos hojas de cobre en cada lado plano de la colección.

Por último, el fabricante aplica calor y fuerza hasta que las hojas se unen. Después de que el laminado se endurece, se asemeja a un material plástico o similar a vidrio duro.

¿Cuál es la Diferencia entre Laminados y Prepregs?

Instalación de tecnología de fibra de carbono produciendo material prepreg
Fuente: Flickr (CC – Genérico)

Los prepregs son típicamente hojas de fibra de vidrio reforzada. Los fabricantes de prepreg los desarrollan aplicando o pre-impregnando estas hojas de fibra de vidrio usando agentes de curado como resina epoxi. En consecuencia, esto es muy diferente del proceso de desarrollo de laminados. Los laminados a menudo consisten en hojas de prepreg. Los prepregs son solo telas curadas e impregnadas. Contrastantemente, los laminados son hojas de material presurizadas y calentadas.

Tipos de Laminados PCB

Colección de placas de circuito impreso

Como se mencionó anteriormente, usamos diferentes PCB para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, los fabricantes de componentes de dispositivos pueden usar PCB flexibles en dispositivos compactos. Los tipos más comunes de laminados PCB son:

FR-4 (FR4)

PCB FR-4 revestido de cobre

FR-4 se refiere a laminados de resina epoxi reforzada con vidrio. Es un material retardante de llama. De ahí el nombre FR-4 (FR = Flame Retardant). Sin embargo, FR-4 es el material más popular para sustratos de PCB. Este hecho se debe a su alta resistencia mecánica y eléctrica. Además, presenta alta disipación térmica cuando los fabricantes aplican aditivos. Además, estos aditivos pueden aumentar la estabilidad, confiabilidad y especificaciones de potencia del material.

No obstante, FR-4 puede acomodar circuitos con un alto conteo de capas debido a su constancia. Como tal, es adecuado para fabricación de PCB de alta frecuencia.

Poliamida

PCB flexible que usa material de poliamida
Fuente: Wikimedia Commons

Los fabricantes valoran los laminados de poliamida por su eficiencia térmica innata alta. Además, tienden a ser más confiables que los materiales FR-4. Este hecho se debe principalmente a su baja expansión térmica. En consecuencia, los fabricantes de dispositivos los implementan en electrónica que la gente usa en entornos hostiles. Además, los hace altamente adecuados para diseños de PCB que requieren múltiples capas. Sin embargo, los fabricantes usan este material para fabricación de PCB flexibles.

Teflón

Los fabricantes típicamente usan laminados de Teflón para desarrollar PCB de alta velocidad. Incidentalmente, es debido a sus brillantes propiedades eléctricas. Al igual que con FR-4, los fabricantes pueden aplicar aditivos a Teflón para aumentar su estrés mecánico.

Teflón es uno de los materiales de laminado más caros. Como tal, es uno de los materiales menos populares en fabricación y manufactura de PCB. Además, requiere habilidad, alta experiencia y equipo especializado para fabricar laminados basados en Teflón.

Epoxi High Tg

High Tg Epoxy es un material de laminado con una alta temperatura de transición vítrea (también conocida como temperatura de vitrificación). Debido a este atributo, presenta excelente tolerancia al calor. En consecuencia, es altamente adecuado para uso en aplicaciones industriales y maquinaria. Además, High Tg Epoxy tiene una brillante resistencia química y a la humedad. Los fabricantes típicamente lo usan en la construcción de PCB multicapa.

BT-Epoxi

BT-Epoxi es una combinación de bismaleimida triazina y resina epoxi. Los fabricantes lo valoran por su capacidad de mantener su estructura bajo temperaturas extremas. Tiene excelentes propiedades eléctricas y mecánicas. Por lo tanto, es altamente adecuado para aplicaciones militares e industriales. No obstante, los PCB sin plomo y multicapa son los PCB más comunes que usan laminados BT-Epoxi.

Otros Materiales

Material de fibra de vidrio

Los materiales listados arriba no son los únicos que los fabricantes usan para producir laminados. Por ejemplo, usamos laminados revestidos de cobre para PCB de alta frecuencia. Además, podemos usar telas cerámicas, ésteres de cianato y otras combinaciones de resina y químicos.

Sin embargo, estos materiales pueden no valer la pena mencionar porque los fabricantes no los implementan tanto como los otros materiales en esta guía. Además, también pueden ser más caros y difíciles de manipular.

Propiedades de los Laminados

Al seleccionar el material y laminado adecuado para tu PCB, considera algunos atributos. Estas propiedades pueden ser térmicas, mecánicas o eléctricas. Esta sección explorará estas propiedades.

Propiedades Térmicas

PCB sufriendo quemaduras por un cortocircuito

• Temperaturas de Transición Vítrea (Tg): Los laminados pierden su integridad estructural cuando alcanzan un cierto rango de temperatura. Así, usamos la temperatura de transición vítrea para ayudar a identificar cuándo el laminado se ablanda y endurece.
• Temperatura de Descomposición (Td): Describe el punto de temperatura cuando el laminado comienza a sufrir daño permanente (derretirse). Así, es importante usar laminados PCB cuyas temperaturas de operación sean más bajas que los rangos de descomposición.
• Coeficiente de Expansión Térmica (CTE): Describe la tasa de expansión del laminado. Si introducimos calor al laminado que alcanza más allá de su umbral CTE, comenzará a expandirse. Por lo tanto, es importante entender el coeficiente de expansión térmica al integrar un PCB en un dispositivo.
• Conductividad Térmica (k): Una propiedad que describe la capacidad de un laminado para transferir o conducir calor. Está representada en Kelvins.

Propiedades Eléctricas

Foto macro de una placa de circuito impreso

• Constante Dieléctrica (ϵr): Describe la permeabilidad eléctrica y relativa del laminado. Esencialmente, puede variar entre 3.5 y 5.5 ϵr.
• Tangente de Pérdida Dieléctrica (tan δ): Representa la difusión cuantificable de energía eléctrica en el laminado. Típicamente, los laminados PCB tienen un tan δ entre 0.02 y 0.0001.
• Resistividad Eléctrica/Volumétrica (ρ): Representa la capacidad del laminado para resistir corriente eléctrica. Generalmente, los laminados tienen una resistividad eléctrica entre 103 y 1010 Ω⋅m (megaohmios).
• Resistividad Superficial (ρS): Denota la resistividad externa del laminado. La humedad y temperatura pueden afectarla.
• Fuerza Eléctrica: Representa la capacidad del laminado para resistir una ruptura eléctrica. Incidentemente, la gente también se refiere a ella como fuerza dieléctrica. Usamos voltios por metro para representarla.

Propiedades Químicas

Placas de circuito impreso sumergidas en agua y jabón.

• Inflamabilidad: Una propiedad que representa la capacidad de ese laminado para resistir igniciones de llama. Mientras que la mayoría de los laminados tienden a ser inflamables, aún pueden sufrir incendios externos. Así, esta propiedad denota cuánto tiempo un laminado arderá mientras esté en fuego.
• Absorción de Humedad: Representa cuánta humedad atmosférica puede resistir un laminado. Especialmente cuando sumergimos el laminado en agua. Sin embargo, este valor afecta las propiedades térmicas y dieléctricas del laminado.
• Resistencia a Cloruro de Metileno: Denota la resistencia química del laminado. Específicamente a diclorometano (o cloruro de metileno).

Propiedades Mecánicas

Producción automatizada de un módulo RAM que usa un PCB miniaturizado

• Resistencia al Pelado: Se refiere a la fuerza del enlace que conecta las diversas capas del laminado.
• Resistencia a la Flexión: Describe la capacidad del laminado para resistir tensión física. Básicamente, es resistencia a la tracción. Esencialmente, esta propiedad denota cuánta presión puedes aplicar y doblar un laminado antes de que finalmente se rompa.
• Densidad: Se refiere a la masa o espesor del laminado.
• Tiempo de Deslaminación: Denota la cantidad de tiempo que un laminado puede soportar temperaturas por encima del umbral antes de que comience a deconstruirse.

Cómo Seleccionar Material de Laminado PCB

Una máquina taladrando agujeros en una placa de circuito impreso

Cuando consideras el material para tu laminado eléctrico/PCB, hay algunas cosas a considerar además de las especificaciones técnicas o propiedades. Otros aspectos que debes contemplar incluyen:

El Costo

Al seleccionar laminados PCB, el costo siempre debe examinarse primero. Aunque pueda parecer razonable obtener los materiales más caros, puede no ser ideal para grandes producciones. De nuevo, FR-4 es el material de laminado PCB más popular. Como tal, es el menos costoso de adquirir. Tiene alta confiabilidad y es adecuado para PCB de una capa y multicapa. Mientras puedes obtener e integrar materiales más caros en tus diseños (como oro), deberías considerar un enfoque más pragmático. Recomendamos comprar tela que haga todo lo que necesitas mientras te ahorra más dinero.

La Calidad

Colección de placas de prototipo verdes

La calidad se intersecta ligeramente con el costo. Los materiales de alta calidad tienden a ser más caros. Sin embargo, aún puedes lograr un equilibrio entre estos dos aspectos. Así que deberías obtener tus materiales de un mayorista o productor con reputación de vender telas de alta calidad a un precio razonable.

El Fabricante de PCB

Soldadura automatizada de un PCB  

Al elegir los materiales para tus laminados que eventualmente se convertirán en tu PCB, es mejor colaborar con un fabricante de PCB de reputación. Este fabricante debería tener alta experiencia con los materiales que planeas integrar en tu laminado. El fabricante debería estar familiarizado con una variedad de estilos de fibra de vidrio y telas.

Además, deberían ser capaces de validar tus diseños de PCB y elección de material. Te tenemos cubierto con nuestras fábricas modernamente equipadas desde prototipado hasta producción en masa. Contacta Wellpcb.com para todas tus necesidades de fabricación de PCB.

Resumen

PCB junto a material de blindaje

Antes de la llegada de los PCB, los fabricantes de dispositivos electrónicos tenían que depender de construcciones punto a punto y diseños de wire wrap. Es seguro decir que los PCB modernos hacen posible la electrónica actual. La efectividad de las placas de circuito impreso depende altamente del material que usa. Como la guía anterior destaca, esta es la razón por la que los laminados y materiales de laminado son tan importantes. No obstante, esperamos que hayas encontrado esta guía útil. Como siempre, gracias por leer.