Las placas de circuito impreso (PCB) son fundamentales en la fabricación de dispositivos electrónicos. La calidad y funcionalidad de una PCB dependen en gran medida de los materiales utilizados en su fabricación. La elección de los materiales adecuados para las PCB es crucial para asegurar la funcionalidad, durabilidad y rendimiento de los dispositivos electrónicos. A continuación, se detallan los materiales más comunes, sus características y los parámetros clave que deben considerarse en la fabricación de las PCBs estándar.
Sustratos
Los sustratos de las placas de circuito impreso (PCBs) son los materiales base sobre los cuales se montan y conectan los componentes electrónicos. Estos sustratos no solo proporcionan soporte mecánico, sino que también desempeñan un papel crucial en la conductividad eléctrica, la disipación térmica y la integridad del circuito. La selección del sustrato adecuado depende de una variedad de factores, incluyendo el tipo de aplicación, las condiciones ambientales y los requisitos de rendimiento del circuito.
Los sustratos comúnmente utilizados en las PCBs incluyen el FR-4, un material compuesto de fibra de vidrio y resina epoxi, conocido por su buen equilibrio entre propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas. También se utilizan sustratos cerámicos como el óxido de aluminio (Al2O3) y el nitruro de aluminio (AlN), que ofrecen excelentes propiedades térmicas y eléctricas para aplicaciones de alta frecuencia y alta potencia. Además, los sustratos flexibles, como la poliimida, permiten la creación de PCBs que pueden doblarse y torcerse, siendo ideales para dispositivos portátiles y electrónicos de consumo.
Material FR-4
El FR-4 es un material ampliamente utilizado como sustrato en la fabricación de placas de circuito impreso de una o varias capas, siendo una opción económica, de alto rendimiento y duradera. Este material está compuesto por una lámina de fibra de vidrio reforzada con resina epoxi y tejido de vidrio. Ofrece alta resistencia mecánica, estabilidad dimensional, buenas propiedades eléctricas y dieléctricas, así como excelente resistencia térmica y química. Estas características lo hacen adecuado para aplicaciones de alta frecuencia y diversos entornos industriales. Su clasificación de inflamabilidad es UL94-V0, lo que significa que es autoextinguible. Además, el FR-4 cumple con muchas de las pruebas de IPC-TM-650 para resistencia térmica, resistencia a la humedad, y propiedades eléctricas y mecánicas.
Materiales TG150 y TG170
Los materiales TG150 y TG170 son tipos avanzados de laminados FR-4, utilizados principalmente en la fabricación de PCB. Estos laminados están diseñados con diferentes temperaturas de transición vítrea (Tg), que indican la resistencia térmica del material. El TG150 ofrece una Tg de 150°C, lo que lo hace adecuado para aplicaciones con temperaturas de operación moderadas. En contraste, el TG170 tiene una Tg de 170°C, proporcionando una mayor estabilidad y resistencia en condiciones térmicas más exigentes. Ambos materiales son esenciales para garantizar el rendimiento y la durabilidad de los PCBs en una amplia gama de aplicaciones electrónicas, desde dispositivos de consumo hasta sistemas industriales avanzados.
A continuación, analizaremos los tipos de materiales ofrecidos por PCBWay, una empresa especializada en la fabricación y ensamblaje de PCBs. Con las recientes mejoras en los materiales base de sus PCBs, aprovecharemos para comparar estos nuevos materiales que mejoran la calidad de sus PCBs con los anteriores. Esta comparación nos permitirá profundizar en las características y las propiedades de cada material, y así entender cómo estas mejoras contribuyen a elevar la calidad de las placas de circuito impreso fabricadas.
Para mejorar aún más la calidad de sus productos y satisfacer las crecientes demandas del mercado, a pesar de un aumento del 10% al 30% en los costos de producción, PCBWay ha decidido actualizar las placas de circuito impreso de 2 capas (pedido de área de >=3 m2), 4 capas y superiores del material Kingboard utilizado anteriormente al material Shengyi. Además, esta actualización se proporcionará a los clientes de forma gratuita.
Mejoras:
- El material base de las PCB de 2 capas (pedido de área >=3 m2) se actualiza automáticamente a material S1000H TG150.
- El material TG150 original KB6165F será reemplazado completamente por el material S1000H de Shengyi.
- El material TG170 KB6167F también será reemplazado por el material S1000-2M de Shengyi.
Como se puede observar en la imagen anterior, PCBWay ha incorporado dos nuevos materiales FR-4 para mejorar sus PCBs. A continuación, compararemos estos materiales para comprender en detalle cuáles son las características que mejoran su calidad y la de las PCBs.
Comparación entre los materiales KB6165F y S1000H, en base a sus propiedades:
- Transición vítrea (Tg): Ambos materiales tienen un Tg >=150°C, lo que indica que tienen una buena resistencia térmica y son adecuados para aplicaciones que requieren estabilidad a temperaturas elevadas.
- CTE/Z-axis: Ambos materiales tienen propiedades de expansión térmica similares, con S1000H mostrando una ligera ventaja en la reducción de expansión térmica de 2.8% en comparación con KB6165F de 3%.
- Temperatura de descomposición (TD): S1000H tiene una ligera ventaja con una temperatura de descomposición marginalmente más alta que KB6165F, indicando una mejor estabilidad térmica.
- Tangente de perdida: S1000H tiene una tangente de perdida más baja, lo que indica menores pérdidas dieléctricas y mejor eficiencia en aplicaciones de alta frecuencia.
- Resistencia a la flexión: KB6165F tiene una resistencia a la flexión ligeramente superior en ambas direcciones, lo que indica una mayor resistencia mecánica en comparación con S1000H.
- Absorción de humedad: S1000H tiene una menor absorción de humedad, lo que sugiere una mejor resistencia a la humedad y menos riesgo de cambios en las propiedades del material debido a la absorción de agua.
Resumen de la comparación
- Rendimiento Térmico: Ambos materiales tienen características térmicas muy similares, con S1000H mostrando una ligera ventaja en la temperatura de descomposición y expansión térmica.
- Rendimiento Eléctrico: S1000H supera a KB6165F en términos de loss tangent, ofreciendo menores pérdidas dieléctricas, lo que es beneficioso en aplicaciones de alta frecuencia.
- Rendimiento Mecánico: KB6165F tiene una resistencia a la flexión superior, lo que puede ser importante para aplicaciones que requieren una mayor resistencia estructural.
- Resistencia a la Humedad: S1000H muestra una mejor resistencia a la absorción de humedad, lo que puede ser crucial en entornos húmedos.
En conclusión, el material S1000H parece ser la mejor opción en términos de propiedades eléctricas y resistencia a la humedad, mientras que KB6165F tiene una ventaja en resistencia a la flexión.
Comparación entre los materiales KB6167F y S1000-2M, en base a sus propiedades:
- Transición de vítrea (Tg): S1000-2m tiene una Tg más alta, lo que indica una mayor estabilidad térmica a temperaturas elevadas. Esto puede ser ventajoso en aplicaciones que operan a temperaturas más altas.
- CTE/Z-axis: S1000-2m muestra una ligera ventaja en la expansión térmica a lo largo del eje Z, con una menor expansión térmica en comparación con KB6167F.
- Temperatura de descomposición (TD): S1000-2m tiene una temperatura de descomposición ligeramente más alta, proporcionando mejor estabilidad térmica.
- Tangente de perdida: KB6167F tiene una tangente de perdida más baja, lo que sugiere que tiene menores pérdidas dieléctricas y es potencialmente más eficiente en aplicaciones de alta frecuencia.
- Resistencia a la flexión: S1000-2m tiene una mayor resistencia a la flexión en la dirección longitudinal (LW), aunque en la dirección transversal (CW) es ligeramente inferior. Esto sugiere que S1000-2m es más fuerte en una dirección, lo que puede ser ventajoso dependiendo de la orientación de las cargas.
- Absorción de humedad: S1000-2m tiene una menor absorción de humedad, indicando una mejor resistencia a la humedad y menos riesgo de cambio en las propiedades del material debido a la absorción de agua.
Resumen de la comparación
- Rendimiento Térmico: S1000-2m supera a KB6167F en términos de Tg, TD y expansión térmica, lo que lo hace más adecuado para aplicaciones que operan a temperaturas más altas y requieren estabilidad térmica mejorada.
- Rendimiento Eléctrico: KB6167F tiene un mejor rendimiento en términos de loss tangent, indicando menores pérdidas dieléctricas, lo que puede ser beneficioso en aplicaciones de alta frecuencia.
- Rendimiento Mecánico: S1000-2m muestra una mayor resistencia a la flexión en la dirección longitudinal, lo que puede ser una ventaja en aplicaciones que requieren alta resistencia.
- Resistencia a la Humedad: S1000-2m muestra una mejor resistencia a la absorción de humedad, lo que puede ser crucial en entornos húmedos.
Para aplicaciones que requieren alta estabilidad térmica y resistencia a altas temperaturas, el material S1000-2m es ideal por su mayor Tg, TD y menor expansión térmica. Para aplicaciones de alta frecuencia y eficiencia eléctrica, el KB6167F es preferible por su menor tangente de perdida. Además, el S1000-2m destaca en resistencia mecánica y menor absorción de humedad, siendo ventajoso en resistencia a la flexión y absorción de humedad.
Materiales de la Capa Conductora
El cobre es el material más comúnmente utilizado para las capas conductoras en las PCBs debido a su excelente conductividad eléctrica y térmica. Se utiliza para formar las pistas y pads en una PCB. Estas pistas y pads son esenciales para la conexión eléctrica entre los diferentes componentes del circuito. La conductividad eléctrica del cobre lo hace ideal para aplicaciones electrónicas. Los espesores típicos del cobre en las PCB proporcionan flexibilidad en el diseño de las pistas de circuito. Además, el cobre tiene un bajo coeficiente de resistencia térmica, lo que es crucial para la disipación de calor en los circuitos de alta potencia.
Además del cobre, que es el material más común para las pistas y conexiones en las PCBs, se utilizan otros materiales según necesidades específicas. El oro se emplea en aplicaciones de alta fiabilidad y contactos de calidad debido a su excelente conductividad y resistencia a la corrosión. La plata ofrece alta conductividad y baja resistencia en aplicaciones de alto rendimiento.
Materiales de la máscara de soldadura
La máscara de soldadura es un recubrimiento protector aplicado sobre la PCB para evitar cortocircuitos, proteger contra la oxidación y asegurar que la soldadura se adhiera solo a las áreas deseadas. Generalmente se utiliza resina epoxi como recubrimiento debido a su excelente aislamiento eléctrico, resistencia química, y durabilidad. Este material proporciona un soporte robusto para las capas de cobre, permitiendo la creación de circuitos precisos y fiables.
Además de la resina epoxi, la máscara de soldadura se fabrica con resinas de poliéster, que son más económicas y de curado rápido, y resinas de poliamida, que ofrecen alta resistencia a temperaturas extremas y productos químicos. También se utiliza la máscara de soldadura de capa cero, aplicada como película seca que se expone a la luz para definir el patrón, y tinta UV, que se seca bajo luz ultravioleta para crear una capa protectora resistente a la soldadura y la humedad. Estos materiales se eligen según las necesidades específicas de resistencia, adherencia y coste de la PCB.
La elección de los materiales para la fabricación de PCBs depende de varios factores, incluyendo el tipo de aplicación, las condiciones ambientales, las necesidades de rendimiento y el costo. La comprensión de las características y parámetros de los materiales utilizados en la fabricación de PCBs es esencial para diseñar y producir circuitos impresos de alta calidad que cumplan con los requisitos específicos de cada aplicación.
