¿De qué están hechas las placas de circuito? Guía de materiales de placa para fabricantes de PCB

Pregunte a la mayoría de los ingenieros de qué está hecha una placa de circuito y le responderán una sola palabra: fibra de vidrio. Esa respuesta es correcta, pero cubre sólo la primera capa de una historia más larga. Una placa de circuito impreso es una pila de materiales cuidadosamente diseñada y cada uno de ellos debe ganarse su lugar. El sustrato le da a la placa su cuerpo y su aislamiento eléctrico, el cobre transporta la corriente, la máscara de soldadura protege la superficie y el acabado final mantiene el cobre soldable durante años.

Hemos estado fabricando tableros en nuestras instalaciones de Guangde desde 2013, desde simples paneles de una cara hasta pilas de 32 capas, por lo que tendemos a responder esta pregunta como lo hace un fabricante. La verdadera pregunta no es de qué está hecho un PCB en general, sino qué combinación de materiales sobrevivirá al entorno de su producto durante su vida útil esperada.

Los ingredientes principales de una placa de circuito

Si eliminamos la jerga, casi todos los tableros se construyen con la misma breve lista de materiales:

• Sustrato: la base aislante, generalmente tejido de fibra de vidrio unida con resina epoxi.
• Lámina de cobre: ​​laminada sobre el sustrato y grabada en trazos, almohadillas y planos.
• Recubrimiento: cobre, y a veces estaño u oro, depositado dentro de agujeros perforados para unir las capas.
• Máscara de soldadura: la capa de color que cubre todo excepto las almohadillas que necesitas soldar.
• Serigrafía: la leyenda impresa que identifica los componentes y designadores de referencia.
• Acabado superficial: una fina capa metálica u orgánica que evita que el cobre expuesto se oxide.

Cada uno de estos materiales se puede intercambiar, mejorar o espesar, y cada sustitución cambia el costo, la capacidad de fabricación y la confiabilidad en el campo al mismo tiempo.

El sustrato: tela de vidrio, resina y alternativas

El estándar FR-4 comienza con tela de vidrio tejida. La tela se impregna con resina epoxi y se cura parcialmente hasta formar una lámina llamada preimpregnado, luego se apila y se presiona bajo calor y presión hasta que la resina fluye y se endurece. El resultado es rígido, dimensionalmente estable y un excelente aislante: el vidrio aporta resistencia mecánica mientras que la resina define el comportamiento eléctrico y térmico.

A partir de ese punto de partida la familia se ramifica rápidamente:

• FR-4 en grados estándar, de alta Tg y libre de halógenos, el caballo de batalla de la industria.
• CEM-1 y CEM-3, epoxis compuestos con núcleo de vidrio no tejido para productos sensibles al costo.
• FR-1 y FR-2, laminados a base de papel utilizados en tableros de una cara de muy bajo coste.
• Película de poliimida, la base flexible para FPC y diseños rígido-flexibles que necesitan doblarse.
• Laminados de PTFE e hidrocarburos rellenos de cerámica, elegidos cuando la pérdida de señal debe mantenerse baja en frecuencias de gigahercios.

La mayoría de las compensaciones importantes residen en el sistema de resina y no en el cobre. La temperatura de transición vítrea, la temperatura de descomposición, la constante dieléctrica y la absorción de humedad provienen de la química del laminado.

PCB OSP de doble cara Los PCB FR4 utilizan un sustrato de fibra de vidrio de resina epoxi, que ofrece excelente resistencia mecánica, resistencia a altas temperaturas y propiedades de aislamiento eléctrico. Ellos un... Ver producto →

Un ejemplo cotidiano es una placa FR-4 de doble cara con acabado OSP: laminado estándar, espesor estándar y un acabado que se adapta a la soldadura por reflujo de alto volumen sin agregar costos.

Cobre: la parte que lleva la corriente

El cobre es el segundo ingrediente esencial. El papel de aluminio se especifica por peso, y vale la pena memorizar la conversión: una onza de cobre repartida en un pie cuadrado tiene aproximadamente 35 micrones de espesor. Los diseños digitales de paso fino generalmente se ejecutan en láminas de media onza o una onza, las placas de potencia aumentan hasta dos onzas y los trabajos con cobre pesado llegan a tres onzas y más.

El cobre aparece en más lugares que los rastros visibles. Durante la fabricación, se galvaniza cobre adicional en cada orificio perforado para formar una pared de barril continua, y las capas exteriores se recubren con un patrón antes del grabado. La calidad de ese revestimiento, no sólo su espesor, decide si una vía sobrevive a ciclos térmicos repetidos.

Cuando aumentan las demandas actuales, la respuesta suele ser más cobre en lugar de más superficie de tablero. Las construcciones pesadas de cobre distribuyen la carga entre las capas internas, lo que mantiene el aumento de temperatura bajo control sin un disipador de calor externo.

Cobre de 14 capas Los PCB de cobre grueso utilizan láminas de cobre ultragruesas que varían de 3 oz a 20 oz, y cuentan con una capacidad excepcional de transporte de corriente (más de 100 A) y resistencia a altas temperaturas... Ver producto →

Cuando la fibra de vidrio es la elección equivocada

FR-4 responde a la mayoría de las preguntas, pero tres familias de materiales se hacen cargo cuando no puede hacerlo.

Tableros con núcleo metálico y con núcleo de cobre.

El aluminio se utiliza como base cuando el calor debe salir rápidamente del tablero. Se une una fina capa dieléctrica al aluminio, los circuitos de cobre están grabados en la parte superior y el respaldo metálico actúa como un disipador de calor. Las versiones con núcleo de cobre van más allá y permiten densidades de corriente muy altas en iluminación LED, accionamientos de motor y conversión de energía. Por muy delgada que sea, esa capa dieléctrica aún tiene que contener el voltaje de trabajo total, por lo que su espesor y conductividad térmica son los dos números que vale la pena verificar primero.

PCB de aluminio de una cara Los sustratos metálicos utilizan aluminio, cobre y otros metales como su capa central térmicamente conductora. Un dieléctrico aislante especializado logra una disipación de calor superior... Ver producto →

Sustratos cerámicos

La alúmina y el nitruro de aluminio aportan una conductividad térmica que ningún laminado polimérico puede igualar, junto con un coeficiente de expansión térmica cercano al del silicio. Aparecen en módulos LED de alta potencia, etapas de potencia de RF y sensores que deben seguir funcionando a pesar de grandes cambios de temperatura.

Películas flexibles

La poliimida reemplaza la tela de vidrio cuando el tablero tiene que doblarse. Se aplican las mismas reglas de cobre y acabado, solo cambia la base, y con ella las reglas de manejo durante el montaje.

Máscara de soldadura, serigrafía y acabados superficiales

La máscara de soldadura es un recubrimiento a base de epoxi que se aplica sobre la placa y luego se cura. Evita que la soldadura forme puentes entre las almohadillas, protege el cobre que se encuentra debajo de la humedad y la contaminación y le da a la placa su color familiar. El verde es tradicional porque tiene el historial más largo en imágenes e inspección, pero el negro, el azul, el rojo y el negro mate son rutinarios hoy en día. La tinta de serigrafía se imprime en la parte superior de la máscara para marcar las referencias y la polaridad de los componentes y, aunque no transporta corriente, es lo primero en lo que confía un operador de ensamblaje.

El acabado superficial es la última decisión material y una de las más importantes. La nivelación de soldadura con aire caliente es la opción de bajo costo, el OSP es orgánico y se desvanece después de algunos reflujos, y ENIG o plata de inmersión proporciona una superficie plana para piezas de paso fino. Cuando se inserta y retira una tabla repetidamente, la respuesta es el oro duro. Todos nuestros acabados están disponibles en versiones sin plomo.

Materiales de la placa de circuito de un vistazo

La siguiente tabla resume los sistemas de materiales que construimos con más frecuencia y de qué está hecho cada uno.

Cómo la aplicación elige el material

La selección de materiales rara vez es una elección libre. Sigue el entorno en el que vivirá la junta.

Productos de consumo y electrodomésticos.

Cuando predomina el costo, el FR-4 o CEM-3 estándar con acabado HASL u OSP suele ser suficiente.

Control automotriz e industrial

La vibración, los ciclos térmicos y la larga vida útil impulsan los diseños hacia laminados de alta Tg, cobre más grueso y acabados como ENIG que sobreviven al reflujo repetido.

Diseños de potencia y alta frecuencia.

La gestión térmica y la integridad de la señal tienen prioridad, lo que significa materiales con núcleo metálico, cerámica o PTFE en lugar de una placa de vidrio más gruesa.

Si no está seguro de dónde se ubica su producto, le resultará útil ver cómo ya se están construyendo placas similares. puedes navegar las áreas de aplicación que apoyamos para ver las combinaciones de materiales ya probadas en cada segmento.

Notas prácticas del taller

Algunas cosas que les decimos a los clientes que eligen materiales por primera vez:

1. Elija el acabado antes de congelar el diseño, porque la geometría de la plataforma y la vía de la tienda dependen de ello.
2. Haga coincidir el peso del cobre con el actual, no con el hábito, ya que el cobre sobredimensionado aumenta la dificultad y el costo del grabado.
3. Pregunte acerca de la Tg con anticipación, porque un laminado con alta Tg cuesta un poco más y elimina toda una clase de fallas en el campo.
4. Confirme el dibujo de apilamiento antes de publicarlo, porque la mayoría de los retrasos comienzan como una capa faltante o ambigua.

Si desea profundizar en cómo interactúan la elección del laminado, el peso del cobre y el acabado, nuestra guía para selección de materiales FR-4, RF y núcleo metálico analiza las comparaciones con más detalle.

Entonces, ¿de qué están hechas las placas de circuito? Tela de vidrio y resina epoxi, lámina de cobre y cilindros chapados, una máscara de soldadura, una leyenda impresa y un acabado final que lo mantiene todo soldable. Lo interesante no es la lista en sí, sino la forma en que esos materiales se adaptan al trabajo. Haga esa combinación correctamente y la junta hará su trabajo silenciosamente durante una década o más.