DFM 101: Materiales de PCB

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Introducción Uno de los mayores desafíos que enfrentan los diseñadores de PCB es comprender los factores de costo en el proceso de fabricación de PCB. Este artículo es el primero de una serie que analizará estos factores de costo (desde la perspectiva del fabricante de PCB) y las decisiones de diseño que afectarán la confiabilidad del producto.

DFM El diseño para la fabricación (DFM) se define como la práctica de diseñar placas de circuito impreso que cumplan no solo con las capacidades del proceso de fabricación de ensamblaje del cliente, sino también con las capacidades del proceso de fabricación de la placa al menor costo posible. Si bien no reemplazan el compromiso de diseño temprano con el fabricante de PCB, estos artículos brindarán pautas que lo ayudarán a "diseñar para el éxito".

Materiales multicapa estándar La mayoría de los PCB se fabrican con dieléctricos de vidrio epoxi (FR-4) y lámina de cobre. Los PCB se construyen a partir de tres tipos de materiales básicos: lámina de cobre, preimpregnado y núcleos.

Figura 1: Un ejemplo de material de vidrio-epoxi completamente curado con cobre laminado en ambos lados.

Materiales de alta frecuencia (RF/microondas) Los diseños de alta frecuencia (1 GHz y más) requieren materiales con constantes dieléctricas y factores de disipación estrechamente controlados. Los materiales FR-4 que normalmente se utilizan para PCB no tienen las características controladas deseadas. Los materiales de sustrato usados ​​para aplicaciones de alta frecuencia se basaron originalmente en formulaciones de resina de PTFE que tienen las propiedades deseadas, es decir, constante dieléctrica controlada a ±0,04 y factor de disipación a 0,0004. Estos valores pueden variar un poco según el tipo de material y el proveedor. Hoy en día, hay una serie de materiales en el mercado que no contienen PTFE, pero aún tienen valores controlados que pueden usarse para aplicaciones de alta frecuencia.

Tipos de materiales Hay tres tipos de materiales básicos: vidrio no tejido, vidrio tejido y relleno. Las designaciones de especificación militar son GR (no tejido) y GT, GX y GY (tejido). El material de relleno no tiene designación.

Los materiales no tejidos contienen una dispersión de microfibras de vidrio en el sustrato. Estos son típicamente materiales con constantes dieléctricas bajas (2.20-2.35). Funcionan muy bien en las frecuencias más altas, ya que el factor de disipación es bajo.

Tipos de láminas de cobre Hay dos tipos de láminas de cobre adheridas disponibles; electrodepositado (ED) y recocido laminado (RA). La diferencia entre estas láminas es el proceso de fabricación y el tratamiento en la parte posterior para mejorar la adherencia de la unión.

1. El cobre electrodepositado (ED) se fabrica galvanoplastiando cobre en un tambor giratorio que da como resultado una estructura de grano orientada verticalmente (Figura 2). Frente a la superficie del tambor, el revestimiento de cobre es áspero, casi como "dientes", y mejora con un tratamiento posterior. Los dientes proporcionan una mayor resistencia al pelado pero pueden aumentar las pérdidas del conductor a alta frecuencia debido a la profundidad de los dientes.

Figura 2: Cobre electrodepositado hecho por galvanoplastia en un tambor giratorio.

2. El cobre recocido laminado (RA) se fabrica laminando un lingote hasta obtener láminas muy delgadas. La estructura granular está orientada horizontalmente. El laminado provoca tensión en la lámina y debe recocerse con calor para eliminar la tensión. El cobre recocido laminado tiene el mismo acabado en cada lado, lo que requiere dientes creados artificialmente en la parte posterior. Estos dientes tienen aproximadamente la mitad de la profundidad del cobre electrodepositado. Esto hace que el cobre recocido laminado tenga aproximadamente la mitad de la resistencia al pelado del cobre electrodepositado. Esto significa que el cobre recocido laminado funciona mejor a frecuencias superiores a 13 GHz.

Figura 3: El cobre recocido laminado (RA) se fabrica enrollando un lingote en láminas muy delgadas.

La resistencia al pelado es la cantidad de fuerza, en libras por pulgada, que se debe aplicar para hacer que una tira de lámina de cobre de 1 pulgada de ancho se despegue del sustrato. Los valores típicos para el cobre electrodepositado (ED) de 1 onza son de 9 a 11 libras por pulgada y el cobre de 1 onza recocido laminado (RA) es de 4 a 6 libras por pulgada. A medida que las pistas del circuito se vuelven más estrechas, se reduce la resistencia al pelado. Por lo tanto, se requiere más cuidado para soldar y adherir a trazos angostos.

La rugosidad de la superficie de cobre es crítica para aplicaciones de alta frecuencia donde la rugosidad de la superficie de cobre afecta la pérdida del conductor. A frecuencias de señal altas, la corriente en un circuito de cobre de PCB se concentra dentro de una pequeña profundidad cerca de su superficie, lo que se conoce como efecto de piel o profundidad de piel. La profundidad de la piel es una medida de cómo (y dónde) se lleva a cabo la conducción eléctrica en un conductor y es una función de la frecuencia.

En otras palabras, para aplicaciones de alta frecuencia, cuanto más suave sea la superficie del cobre, mejor. La conducción del circuito ocurre en la superficie más cercana al dieléctrico desde donde se propaga la onda EM, en otras palabras, la superficie inferior de cobre que está contra el laminado en un diseño de microcinta.

Figura 4: Cuanto más suave sea la superficie del cobre, mejor.

Núcleo metálico y materiales IMPCB Las placas de circuito impreso de metal aislado (IMPCB) o PCB con núcleo de metal son diseños de gestión térmica que utilizan una capa de metal sólido para disipar el calor generado por los diversos componentes de las PCB. Cuando se une metal a una placa de circuito impreso, el material de unión puede ser térmicamente conductor pero eléctricamente aislante o, en el caso de los circuitos de RF/microondas, el material de unión puede ser tanto eléctrica como térmicamente conductor. Hay dos metales comunes utilizados en estas aplicaciones: cobre y aluminio. Cuál usar depende de la aplicación teniendo en cuenta el costo, el peso y las propiedades térmicas. La Tabla 1 presenta las propiedades de los diversos metales base.

Tabla 1: Una lista de varias propiedades de algunos materiales de base metálica.

Materiales de capacitancia integrados El material de capacitancia integrado consiste en una capa muy delgada de epoxi relleno de cerámica intercalada entre dos capas de lámina de cobre. Se puede modelar como un par de planos de alimentación y tierra para una red de distribución de alimentación de capacitancia compartida de baja impedancia. El mayor beneficio del diseño es que aumenta el área utilizable de la placa al permitir la eliminación de muchos, si no todos, los condensadores iguales o inferiores a 0,1 μF y sus uniones de soldadura y vías asociadas. Los beneficios adicionales incluyen:

Materiales de resistencia integrados Las resistencias integradas son elementos resistivos planos hechos en una película delgada. Este tipo de resistencia se convierte en parte del circuito impreso y grabado en la capa de placa de circuito impreso estándar, ya que elimina la necesidad de juntas de soldadura.

Los beneficios adicionales incluyen:

Conclusión Como puede ver, hay muchos factores de fabricación que contribuyen al costo final de cada PCB. El diseñador de PCB de hoy en día debe tener un conocimiento profundo de estos factores de costos, así como de las muchas ventajas y desventajas involucradas en la gestión de estos factores en cada diseño. Estén atentos a la Parte 2 de esta serie.

Anaya Vardya es presidenta y directora ejecutiva de American Standard Circuits; coautor de The Printed Circuit Designer's Guide to… Fundamentos de PCB de RF/microondas y Fundamentos de Flex y Rigid-Flex; y autor de Gestión térmica: la perspectiva de un fabricante. Visite I-007eBooks.com para descargar estos y otros títulos educativos gratuitos. También es coautor de "Fundamentos de tecnologías de placas de circuito impreso".