¿Cuál es la función del cobre en las placas de circuito impreso?

Para entender cuál es la función del cobre en las PCB, aclaremos lo siguiente:

Las placas de circuito impreso están compuestas por muchas capas y componentes, incluidos circuitos, caracteres, capas metálicas y otros materiales. Los circuitos son los componentes de conexión de las PCB, porque sin circuitos no ocurre el flujo de carga, por lo que podemos decir que los circuitos actúan como vasos sanguíneos en los huesos de las PCB, y sin circuitos, ninguna PCB puede funcionar correctamente. Sin PCB, no existe el concepto de dispositivos electrónicos. En esta época, todos los dispositivos utilizan PCB. En comparación con otros componentes, las PCB dependen más del cobre porque el cobre ayuda a formar líneas. La razón para usar cobre es su conductividad. La conductividad del cobre asegura que la velocidad de transmisión de señales en los dispositivos electrónicos no se interrumpa. La razón de la alta conductividad del cobre es que tiene un solo electrón en su capa de valencia. Este electrón puede moverse fácilmente de un átomo a otro sin resistencia alguna. Por eso, el cobre puede transportar carga sin perder la señal.

Para hacer una lámina metálica continua, se usa cobre, que es un electrolito negativo, en la primera capa de la PCB. Debido al bajo nivel de oxígeno en la superficie, el cobre puede usarse fácilmente en varios tipos de sustratos, metales y capas aislantes. El cobre se utiliza con una capa protectora después del grabado para formar diferentes patrones de circuito porque puede unirse fácilmente a la capa aislante de la PCB. La lámina de cobre puede proporcionar mejor continuidad en el blindaje electromagnético, por eso se coloca en la superficie de la placa base.

Hay algunas cosas que debes saber sobre el «cobre balanceado» en las PCB La fabricación de PCB es el proceso de construir una PCB física a partir de un diseño de PCB siguiendo un conjunto de especificaciones. Comprender las especificaciones de diseño es muy importante, ya que afecta la fabricabilidad, el rendimiento y el rendimiento de producción de la PCB. Una de las especificaciones de diseño importantes a seguir es el «cobre balanceado» en la fabricación de PCB. Se debe lograr una cobertura de cobre consistente en cada capa de la pila de PCB para evitar problemas eléctricos y mecánicos que puedan obstaculizar el rendimiento del circuito.

¿Qué significa cobre balanceado en PCB?

El cobre balanceado es un método de trazos de cobre simétricos en cada capa de la pila de PCB, lo cual es necesario para evitar que la placa se tuerza, doble o deforme. Algunos ingenieros de diseño y fabricantes insisten en que la pila de capas espejadas de la mitad superior sea perfectamente simétrica con la mitad inferior de la PCB.

La función del cobre balanceado:

• Enrutamiento: La capa de cobre se graba para formar las trazas, y el cobre utilizado como trazas transporta el calor junto con la señal a través de la placa. Esto reduce los daños causados por el calentamiento irregular de la placa que podría provocar la rotura de las pistas internas.
• Como disipador de calor: El cobre se utiliza como capa de disipación de calor para el circuito de generación de energía, evitando el uso de componentes adicionales de disipación de calor y reduciendo en gran medida los costos de fabricación.
• Aumentar el grosor de los conductores y almohadillas de superficie: El cobre utilizado como recubrimiento en las PCB aumenta el grosor de los conductores y las almohadillas de superficie. Además, los orificios pasantes chapados proporcionan una conexión de cobre fuerte entre capas.
• Reduce la impedancia de la línea de tierra y la caída de voltaje: El cobre balanceado en PCB reduce la impedancia de la línea de tierra y la caída de voltaje, reduciendo así el ruido, mientras que al mismo tiempo mejora la eficiencia del suministro de energía.

¿Qué problemas surgen debido a la distribución desigual del cobre en las capas de la pila de PCB?

En la fabricación de PCB, si la distribución de cobre entre las capas de la pila es desigual, pueden ocurrir los siguientes problemas:

1. Desbalanceo de la pila

Una pila balanceada significa tener capas simétricas en tu diseño, la idea es evitar áreas de riesgo que puedan deformarse durante las etapas de ensamblaje y laminado de la pila. La mejor estrategia es comenzar el diseño de la pila desde el centro de la placa y colocar allí las capas gruesas. A menudo, la estrategia entre los diseñadores de PCB es reflejar la mitad superior de la pila con la mitad inferior.

2. La PCB se deslaminará

El problema proviene principalmente del uso de cobre más grueso (50um o más) en el núcleo donde la superficie de cobre está desbalanceada, y peor aún, casi no hay relleno de cobre en el patrón. En este caso, la superficie de cobre necesita ser suplementada con áreas «ficticias» o planos para evitar que el prepreg se desborde en el patrón y cause la deslaminación o cortocircuitos entre capas.

Sin deslaminación de PCB: 85% del cobre está rellenado en las capas internas, por lo que el relleno de prepreg es suficiente y no hay riesgo de deslaminación.

Hay riesgo de deslaminación de PCB: El relleno de cobre es solo del 45%, y el prepreg entre capas es insuficiente, por lo que hay riesgo de deslaminación.

3. Grosor desigual de la capa dieléctrica

La gestión del apilamiento de capas es un elemento clave en el diseño de placas de alta velocidad. Para mantener la simetría del diseño, la práctica más segura es equilibrar las capas dieléctricas, y el grosor de la capa dieléctrica debe organizarse de manera simétrica.

4. La sección transversal de la placa de circuito es desigual

Uno de los problemas comunes de diseño desbalanceado es la sección transversal de la placa. La deposición de cobre es mayor en algunas capas que en otras. Este problema surge del hecho de que no se mantiene la consistencia del cobre en las diferentes capas. Como resultado, durante el ensamblaje, algunas capas se vuelven más gruesas, mientras que otras capas con baja deposición de cobre permanecen más delgadas. Cuando se aplica presión lateralmente a la placa, se deforma. Para evitar esto, la cobertura de cobre debe ser simétrica con respecto a la capa central.

5. Laminación híbrida (materiales mixtos)

A veces, los diseños utilizan materiales mixtos en la capa superior. Diferentes materiales tienen diferentes coeficientes térmicos (CTC). Este tipo de estructura mixta aumenta el riesgo de deformación durante el ensamblaje por reflujo.

Efectos de las variaciones en la deposición de cobre

Las variaciones en la deposición de cobre pueden causar deformaciones en la PCB. Algunas de las deformaciones y defectos se mencionan a continuación:

1. Deformación: La deformación no es más que una alteración en la forma de la placa.

Durante el horneado y manejo de la placa, la lámina de cobre y el sustrato experimentan diferentes expansiones y compresiones mecánicas. Esto causa desviaciones en sus coeficientes de expansión. Posteriormente, las tensiones internas generadas en la placa causan deformaciones. Dependiendo de la aplicación, el material de la PCB puede ser fibra de vidrio u otro material compuesto. Durante el proceso de fabricación, la placa pasa por múltiples tratamientos térmicos. Si el calor no se distribuye uniformemente y la temperatura excede el coeficiente de expansión térmica (Tg), la placa se deformará.

2. Electrochapado deficiente de patrones conductivos

Para configurar correctamente el proceso de electrochapado, es muy importante el balance de cobre en la capa conductiva. Si el cobre no está balanceado en la parte superior e inferior, o incluso en cada capa individual, se produce un sobrechapado que lleva a pistas conectadas o subgrabado. En particular, esto involucra pares diferenciales con valores de impedancia medidos. Configurar un proceso de electrochapado correcto es complicado y, a veces, imposible. Por lo tanto, es importante suplementar el balance de cobre con parches «ficticios» o cobre completo.

3. Abolladura

Si la capa de cobre no está balanceada, la capa de PCB tendrá una curvatura cilíndrica o esférica. En términos simples, se puede decir que las cuatro esquinas de una mesa están fijas y la parte superior de la mesa se eleva. Se llama abolladura y es el resultado de un mal funcionamiento técnico. La abolladura crea tensión en la superficie en la misma dirección que la curva. Además, provoca un flujo de corriente aleatorio a través de la placa.

Especificaciones de diseño de cobre balanceado en PCB

Por lo tanto, se deben seguir las siguientes especificaciones de diseño de cobre balanceado en PCB:

• Durante el diseño de la pila, se recomienda establecer la capa central con el máximo grosor de cobre y equilibrar las capas restantes para que coincidan con sus capas opuestas en imagen espejo. Esta recomendación es importante para evitar el efecto de «papas fritas» discutido anteriormente.
• Donde haya áreas amplias de cobre en la PCB, es prudente diseñarlas como una rejilla en lugar de un plano sólido para evitar una densidad de cobre desajustada en esa capa. Esto evita en gran medida problemas de abolladura y torsión.
• En la pila, las capas de alimentación deben colocarse simétricamente y el peso de cobre utilizado en cada capa de alimentación debe ser el mismo.
• El balance de cobre no solo es necesario en las capas de señal o alimentación, sino también en las capas núcleo y de prepreg de la PCB. Asegurar una proporción uniforme de cobre en estas capas es una buena manera de mantener el balance general de cobre de la PCB.
• Si hay áreas de cobre en exceso en una capa particular, la capa opuesta simétrica debe llenarse con pequeñas rejillas de cobre para equilibrar. Estas pequeñas rejillas de cobre no se conectarán a ninguna red y no interferirán con la función. Pero es necesario asegurarse de que esta técnica de balance de cobre no afecte la integridad de la señal o la impedancia de la placa.

El cobre en las PCB asegura la conductividad de la señal, la disipación de calor y la integridad estructural. El diseño de cobre balanceado evita problemas como deformaciones, deslaminación, capas dieléctricas desiguales y electrochapado inadecuado. Para prevenir defectos, la distribución simétrica del cobre es esencial en todas las capas de la PCB, incluidas las capas de potencia, señal y núcleo.