Elegir materiales inadecuados puede arruinar la funcionalidad de su PCB. Los fallos térmicos, la pérdida de señal y las averías mecánicas suelen deberse a una selección inadecuada de materiales. Pero ¿cómo evitar estos problemas?
Los apilamientos de PCB[^1] combinan capas conductoras de cobre con sustratos dieléctricos (como FR-4, poliimida o laminados Rogers) y preimpregnados adhesivos. La elección de materiales equilibra la estabilidad térmica, la integridad de la señal y el coste. Por ejemplo, los diseños de alta velocidad requieren materiales de baja pérdida, mientras que los circuitos flexibles requieren polímeros flexibles.
Los materiales definen el rendimiento de una PCB, pero los detalles importan. Analicemos las consideraciones clave para la selección de núcleo/preimpregnado, aplicaciones de alta velocidad vs. alta temperatura, el impacto del peso del cobre y los requisitos de las PCB flexibles.
¿Qué diferencian los materiales de núcleo y preimpregnado en la comparación de PCB?
La confusión de materiales de núcleo y preimpregnado conlleva riesgos de delaminación. Los diseñadores suelen confundir sus funciones. ¿Cuál es la diferencia funcional?
Los núcleos son capas dieléctricas rígidas con lámina de cobre (p. ej., láminas FR-4), mientras que los preimpregnados son resinas adhesivas semicuradas que unen los núcleos. Los núcleos proporcionan estabilidad estructural y los preimpregnados permiten el apilamiento multicapa mediante laminación.
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Diferencias clave entre núcleo y preimpregnado
| Artículo | Núcleo | Preimpregnado |
|---|---|---|
| Estado | Curado completo | Semicurado (etapa B) |
| Función | Capa base estructural | Adhesivo para la unión de capas |
| Unión de cobre | Lámina de cobre prefijada | Sin cobre (aplicado durante la laminación) |
| Grosor | Fijo (p. ej., 0,2 mm, 0,4 mm) | Ajustable según el contenido de resina |
Los núcleos actúan como capas independientes, mientras que los preimpregnados fluyen durante la laminación para rellenar los huecos. Para aplicaciones de alta Tg, utilice núcleos con temperaturas de transición vítrea superiores a 170 °C. El contenido de resina del preimpregnado (p. ej., 50 %-60 %) afecta el espesor dieléctrico y el control de impedancia. Una placa de 6 capas podría apilarse: Núcleo → Preimpregnado → Núcleo → Preimpregnado → Núcleo.
¿Cómo elegir materiales dieléctricos para aplicaciones de alta velocidad y alta temperatura?
Una PCB de antena 5G falló debido a una pérdida de señal. ¿La causa? Un material dieléctrico incorrecto. ¿Cómo podemos adaptar los materiales a las necesidades de la aplicación?
Para diseños de alta velocidad (>1 GHz), utilice laminados de baja pérdida como Rogers RO4350B (Dk=3,48, Df=0,0037). Para entornos de alta temperatura (p. ej., automoción), elija FR-4 con una Tg >1 GHz. 180 °C o poliimida (Tg ~260 °C).
Comparación de materiales dieléctricos (https://southelectronicpcb.com/wp-content/uploads/2025/03/Dielectric-Material-1024x651.png)
| Guía de selección de materiales | Aplicación | Opciones de materiales | Propiedades clave | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Alta velocidad | Rogers RO4000, Isola I-Speed | Bajo factor de disipación (Df) (180 °C, CTE < 50 ppm/°C) | Económico | FR-4 estándar | Dk = 4,5, Df = 0,02, Tg ~130 °C |
Las señales de alta velocidad requieren materiales con un factor de disipación (Df) mínimo (https://www.ipc.org/system/files/technical_resource/E7%26S16_01.pdf)[^6] para reducir la atenuación. Por ejemplo, el Rogers RO4835 reduce la pérdida en un 30 % en comparación con el FR-4 a 10 GHz. En entornos de alta temperatura, la poliimida soporta ciclos térmicos repetidos, pero cuesta tres veces más que el FR-4. Siempre verifique las hojas de datos del fabricante para conocer el CTE y la absorción de humedad.
¿Afecta el peso del cobre a la integridad de la señal en el diseño de apilado de PCB?
Un diseño de cobre de 2 onzas provocó desajustes de impedancia, lo que retrasó el desarrollo de un producto. Lanzamiento. ¿Qué grosor debe tener el cobre para un rendimiento óptimo?
Un cobre más pesado (≥2 oz) aumenta la capacidad de corriente, pero empeora la pérdida por efecto pelicular a altas frecuencias. Utilice de 0,5 a 1 oz de cobre para señales superiores a 5 GHz y de 2 a 3 oz para planos de potencia.
Peso del cobre vs. rendimiento de la señal
| Peso del cobre[^7] | Grosor (µm) | Mejor caso de uso | Desventajas |
|---|---|---|---|
| 0,5 oz | 17,5 | Trazas de alta velocidad (5-20 GHz) | Capacidad de corriente limitada |
| 1 oz | 35 | Señales de uso general | Pérdida moderada a 10+GHz |
| 2 oz | 70 | Planos de potencia/tierra | Desafíos del control de impedancia |
Un cobre más grueso reduce la resistencia (R = ρ/(grosor × ancho)) pero aumenta la capacitancia parásita. Una pista de cobre de 1 oz a 10 GHz tiene una pérdida de ~0,15 dB/pulgada, mientras que 2 oz añade ~0,25 dB/pulgada. Para apilamientos híbridos, utilice cobre fino para las capas de señal y cobre grueso para la distribución de energía.
¿Por qué las PCB flexibles requieren materiales de apilado diferentes a los de las placas rígidas?
Un material de PCB rígido se rompió después de 200 ciclos de flexión en un dispositivo portátil. Los circuitos flexibles requieren estrategias de materiales completamente diferentes.
Las PCB flexibles utilizan películas de poliimida (p. ej., DuPont Pyralux) en lugar de FR-4. Estos materiales resisten la flexión repetida (más de 5000 ciclos) y tienen un módulo de Young más bajo (5 GPa frente a los 20 GPa del FR-4).
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Comparación de materiales de PCB flexibles y rígidos
| Propiedades | Material de PCB flexible | Material de PCB rígido |
|---|---|---|
| Dieléctrico base | Poliimida (12-25 µm) | FR-4 (100-400 µm) |
| Adhesivo | Acrílico o epoxi | Epoxi de alta Tg |
| Radio de curvatura | 6 veces el espesor del material | No diseñado para doblarse |
| Conductividad térmica | 0,12 W/mK | 0,3 W/mK |
La flexibilidad de la poliimida tiene un precio: absorbe un 1,5 % de humedad (frente al 0,1 % del FR-4), lo que requiere horneado antes del ensamblaje. Los adhesivos en los apilamientos flexibles son más delgados (10-25 µm) para mantener la flexibilidad. Para una flexión dinámica, utilice cobre recocido laminado (RA) en lugar de cobre electrodepositado (ED) para evitar el agrietamiento.
Conclusión
La selección del material para PCB depende de las necesidades eléctricas, térmicas y mecánicas. Adapte las propiedades dieléctricas a la velocidad de la señal, el peso del cobre a las demandas de corriente y los materiales base a los requisitos de rigidez/flexibilidad para un rendimiento fiable.
[^1]: Comprender los apilamientos de PCB es crucial para optimizar el rendimiento y evitar errores comunes de diseño. Explore este enlace para obtener información detallada.
[^2]: Elegir los materiales adecuados para diseños de alta velocidad puede mejorar significativamente el rendimiento. Descubra las recomendaciones y perspectivas de expertos aquí. [^3]: Comprender las diferencias entre los materiales de núcleo y preimpregnados es esencial para un diseño de PCB eficaz. Este recurso aclarará sus funciones y aplicaciones.
[^4]: Explore este enlace para comprender las ventajas de los laminados de baja pérdida para mejorar la integridad de la señal en aplicaciones de alta velocidad.
[^5]: Descubra por qué la poliimida es la opción preferida para entornos de alta temperatura y su impacto en el rendimiento.
[^6]: Aprenda sobre el papel fundamental del factor de disipación para minimizar la pérdida de señal y mejorar el rendimiento de la PCB.
[^7]: Comprender el peso del cobre es vital para optimizar el diseño de PCB, lo que influye en la integridad de la señal y la gestión térmica.
