Guía de selección de materiales de PCB

La parte más importante de la electrónica es la placa de circuito impreso (PCB). Alternativamente, el acrónimo también se ha utilizado para referirse a las placas de circuito impreso y tarjetas de circuito impreso, que son esencialmente lo mismo. Debido al papel crucial de estas placas en todo, desde computadoras hasta calculadoras, la selección del material para la placa PCB debe realizarse con cuidado y conocimiento de las necesidades eléctricas de cada equipo.

Antes del desarrollo de la PCB, los materiales de las placas de circuito impreso estaban mayormente cubiertos por nidos de cables enredados y superpuestos que podían fallar fácilmente en ciertas uniones. También podían cortocircuitarse cuando el paso del tiempo hacía que ciertos cables comenzaran a agrietarse. Como era de esperar, el proceso manual de cableado de estas primeras placas era confuso y minucioso.

A medida que una creciente variedad de componentes electrónicos cotidianos comenzó a depender de placas de circuito impreso, se inició la carrera por desarrollar alternativas más simples y compactas, lo que condujo al desarrollo del material PCB. Con los materiales de PCB, los circuitos pueden enrutarse entre una gran cantidad de componentes diferentes. El metal que facilita la transferencia de corriente entre la placa y cualquier componente conectado se conoce como soldadura, que también cumple una doble función gracias a sus propiedades adhesivas.

Composición del material de PCB

La composición de una PCB generalmente consta de cuatro capas, laminadas térmicamente para formar una sola. El material utilizado en la PCB incluye las siguientes capas, de arriba a abajo:

• Serigrafía

• Máscara de soldadura

• Cobre

• Sustrato

La última de estas capas, el sustrato, está hecha de fibra de vidrio y también se conoce como FR4 (las siglas FR significan "retardante de fuego"). Esta capa de sustrato proporciona una base sólida para las PCB, aunque su grosor puede variar según el uso de cada placa.

También existe en el mercado una gama más económica de placas que no utilizan los mismos materiales de PCB mencionados, sino que están hechas de fenólicos o epoxis. Debido a su sensibilidad térmica, estas placas tienden a perder su laminación con facilidad. Estas placas más económicas suelen ser fáciles de identificar por el olor que desprenden al soldarse.

La segunda capa de una PCB es de cobre, que se lamina sobre el sustrato con una mezcla de calor y adhesivo. Esta capa de cobre es delgada y, en algunas placas, hay dos capas: una encima y otra debajo del sustrato. Las PCB con una sola capa de cobre suelen utilizarse para dispositivos electrónicos más económicos.

El laminado revestido de cobre (CCL) de uso masivo se puede clasificar en diferentes categorías según diferentes estándares de clasificación, incluido el material de refuerzo, el adhesivo de resina utilizado, la inflamabilidad y el rendimiento del CCL.

Sobre la máscara de soldadura verde se encuentra la capa de serigrafía, que añade letras e indicadores numéricos que hacen que la PCB sea legible para los programadores técnicos. Esto, a su vez, facilita a los ensambladores electrónicos la colocación de cada PCB en el lugar y la dirección adecuados en cada componente. La capa de serigrafía suele ser blanca, aunque a veces también se utilizan colores como rojo, amarillo, gris y negro.

Términos técnicos de la capa de PCB

Además de comprender cómo se organizan las capas de la PCB, también es importante conocer los siguientes términos técnicos que acompañan el uso de las PCB:

Anillo anular. Anillo de cobre que rodea los orificios de una PCB.

• DRC. Acrónimo de verificación de reglas de diseño. En esencia, DRC es una práctica mediante la cual se verifica el diseño de una PCB para su funcionalidad. Los detalles que se verifican incluyen el ancho de las pistas y los orificios de perforación.

• Acierto de perforación. Se utiliza para describir todos los orificios en una PCB, ya sean correctos o incorrectos. En algunos casos, un orificio puede ser ligeramente incorrecto debido a la falta de precisión del equipo de perforación utilizado durante la producción.

Dedo. Metal expuesto a lo largo del borde de la placa que sirve como punto de conexión entre dos PCB. Los dedos son más comunes en videojuegos y tarjetas de memoria antiguas.

• Trozos de ratón. Una sección de la placa que ha sido perforada excesivamente hasta el punto de comprometer la integridad estructural de la PCB.

• Almohadilla. Un área de metal expuesta en una PCB, sobre la cual generalmente se aplica una pieza soldada.

• Panel. Una placa de circuito grande compuesta por placas más pequeñas, que finalmente se separan para uso individual. El objetivo de esta práctica es eliminar la dificultad que experimentan los manipuladores al manipular placas más pequeñas.

• Plantilla de pasta. Plantilla metálica sobre una placa, sobre la que se aplica pasta para soldar.

• Plano. Una sección más grande de cobre expuesto en una placa de circuito impreso (PCB), que está marcada por bordes, pero carece de una ruta.

• Orificio pasante revestido. Un orificio que atraviesa una placa de circuito impreso (PCB), generalmente para conectar otro componente. El orificio está revestido y suele tener un anillo.

Ranura. Cualquier orificio que no sea circular. Las PCB con ranuras suelen ser caras debido al coste de producción que supone crear orificios con formas irregulares en una placa de circuito. Las ranuras no suelen estar revestidas.

• Montaje superficial. Un método mediante el cual los componentes externos se montan directamente en la placa sin necesidad de orificios pasantes.

• Traza. Una línea continua de cobre a través de una PCB.

• Ranura en V. Un punto donde la placa ha sido cortada parcialmente. Esto puede hacer que la PCB sea vulnerable a romperse.

• Vía. Orificio por el que pasan las señales entre capas. Las vías se observan en versiones con y sin tienda. Las versiones con tienda están cubiertas con una máscara de soldadura protectora, mientras que las vías sin tienda se utilizan para la conexión de conectores.

El número que precede a una capa se refiere al número exacto de capas conductoras, ya sea una capa de enrutamiento o una capa plana (los dos tipos de capa). Las capas suelen tener el número 1 o cualquiera de los cuatro números pares siguientes: 2, 4, 6, 8. Las placas de capas a veces tienen números impares, pero estos son poco frecuentes y prácticamente no marcan la diferencia. Por ejemplo, el material de la PCB en una placa de 5 o 6 capas sería prácticamente idéntico.

Los dos tipos de capas tienen funciones diferentes. Las capas de enrutamiento incluyen pistas. Las capas de plano sirven como conectores de alimentación y cuentan con planos de cobre. Las capas de plano también incluyen islas que determinan la función de señalización de una placa, ya sea de 3.3 V o 5 V.

FR4 es el nombre en clave de las láminas laminadas de epoxi reforzadas con fibra de vidrio. Gracias a su resistencia, así como a su capacidad para resistir la humedad y el fuego, el FR4 es uno de los materiales para PCB más populares.

Consideraciones adicionales sobre el diseño de PCB

Se utiliza una cifra como 1.6 mm para indicar el grosor de una placa de capas. En placas de 4 capas, 1.6 mm es la medida estándar. El grosor es un factor a considerar al elegir placas para un dispositivo. Las placas con mayor grosor, por ejemplo, ofrecen mayor soporte cuando se necesitan conectar objetos pesados.

El espesor estándar del cobre en capas planas es de 35 micras. Como alternativa, a veces se indica en onzas o gramos. Es recomendable optar por un espesor de cobre superior al normal en placas que admitan muchas aplicaciones.

Las vías no están diseñadas para transferir potencia, pero esto puede ocurrir cuando las señales no gestionan las frecuencias correctamente. Si no se controla el problema, las vías podrían perder grandes cantidades de potencia. Para transferir la mayor cantidad posible de potencia de un lado a otro de la vía, el trazado de la vía debe tener en cuenta las ecuaciones de transmisión.

En general, la distancia de pista correcta en placas de capas de material FR4 con pistas de cobre es de dos pulgadas, siempre que la duración de la señal sea de un nanosegundo. Sin embargo, también se deben considerar los efectos de la línea de transmisión para longitudes de pista elevadas, especialmente si la integridad de la señal es crucial. Internet está repleto de programas y hojas de cálculo diseñados para ayudar a realizar cálculos de impedancia adecuados para placas de capas específicas.

En la mayoría de las placas, las vías están vacías y se puede ver a través de ellas. Sin embargo, existen diversas circunstancias en las que pueden llenarse. En primer lugar, es necesario para formar barreras protectoras contra el polvo y otras impurezas. En segundo lugar, pueden llenarse para aumentar la capacidad de conducción de corriente, en cuyo caso se pueden utilizar materiales conductores. Otra razón para llenarse es para nivelar una placa.

Las vías suelen rellenarse con piezas de matriz de rejilla de bolas (BGA). Si se produce contacto entre un pin BGA y una capa interna, la soldadura podría filtrarse a través de la vía y pasar a otra capa. Por lo tanto, las vías se rellenan para garantizar que la soldadura no se filtre a otra capa y que la integridad de los contactos se mantenga correctamente.

Uno de los problemas más comunes en una placa de capas es cuando un contacto se rompe en algún punto de la placa. Cuanto más ocurre esto, más rápido es probable que esa parte de la placa se rompa por completo. El usuario promedio de electrodomésticos experimentará este problema cuando uno de los botones de una calculadora deja de funcionar. Cada botón presiona una parte específica de la placa de capas, y cuando un punto falla, el botón correspondiente no puede enviar su señal.

Otra forma en que los contactos pueden desgastarse en ciertos puntos es al insertar una ranura para tarjeta secundaria en la placa base. Si la tarjeta se manipula mal, uno de los puntos podría dañarse y dejar de funcionar. La mejor manera de proteger las superficies de la placa que entran en contacto es mediante una capa de oro, que actúa como una barrera que prolonga su vida útil. Sin embargo, el oro puede ser costoso, y su uso en las pestañas añade un paso más en el proceso de fabricación de la PCB.

Máscara de soldadura de PCB

El color más conocido en placas base es el verde, el color de la máscara de soldadura. Aunque no es tan común, la máscara de soldadura también se presenta en otros colores, como rojo o azul. La máscara de soldadura también se conoce por el acrónimo LPISM, que significa máscara de soldadura líquida fotoimprimible. Su propósito es evitar fugas de soldadura líquida. En los últimos años, este tipo de incidentes se ha vuelto más común debido a la falta de máscara de soldadura. Sin embargo, la mayoría de los usuarios prefieren las placas con máscara de soldadura a las que no la tienen.

Una vez aplicada la máscara de soldadura a la PCB, esta se somete a soldadura fundida. Durante este proceso, las superficies expuestas de cobre se sueldan. Esto forma parte de un proceso conocido como nivelación de soldadura por aire caliente (HASL). Al soldarse los chips SMD, la placa se calienta hasta el punto en que la soldadura se funde y los componentes se colocan en su lugar. Al secarse la soldadura, los componentes también se sueldan. La HASL suele incluir plomo como uno de los compuestos de la soldadura, aunque también existen opciones sin plomo.

La separación entre pistas se indica con un guion. Por ejemplo, si se ve la cifra 6/6 milésimas de pulgada, se especificaría 6 milésimas de pulgada como ancho mínimo de pista, así como la separación mínima entre pistas. Por lo tanto, todas las separaciones en la placa en cuestión deben ser iguales o superiores a 6 milésimas de pulgada. Para quienes no estén familiarizados, las milésimas de pulgada se utilizan para determinar las distancias en los materiales de PCB. El ancho y la separación son especialmente importantes en placas diseñadas para manejar altas corrientes.

Cuando una placa PCB es multicapa, no es posible examinar visualmente la accesibilidad de las distintas pistas. Por lo tanto, se realiza una prueba que coloca sondas al final de las pistas para verificar que todas las señales sean accesibles. La prueba se realiza aplicando voltajes desde un extremo. Si estos voltajes se detectan desde el otro lado, se considera que las pistas funcionan correctamente. Si bien la prueba no siempre es esencial en placas con solo una o dos capas, se recomienda si realmente se preocupa por la calidad.

Las vías que conectan las capas internas y externas se conocen como vías ciegas. El nombre se debe a que estas vías solo se pueden detectar desde un lado. Las vías que conectan dos o más capas internas se conocen como vías enterradas, y no se pueden detectar desde el exterior en ninguno de los lados. En las placas que contienen vías ciegas y enterradas, se suele utilizar relleno de vías. Esto mantiene la superficie exterior más segura y ayuda a reducir la posibilidad de que la soldadura se deslice y penetre en las vías internas.

Selección de materiales que afectan el costo

Las PCB suelen ser más caras cuando incluyen características como pestañas doradas, vías ciegas o enterradas, o relleno de vías. Asimismo, las PCB con un espaciado de línea/ancho inferior a 6 milésimas de pulgada también suelen ser más caras. La razón de estos precios más altos es el proceso alternativo que se utiliza para la producción de placas PCB inusuales. Asimismo, ciertas producciones de PCB resultan menos rentables o exitosas cuando se incluyen bajas milésimas de pulgada o vías internas, y el precio más alto se destina a compensar las pérdidas. Existen fabricantes que producen PCB con medidas de línea/ancho de tan solo 3 milésimas de pulgada, pero generalmente no se recomienda a menos que sea la única opción para un componente en particular.

El impacto de la potencia y el calor en la selección del material de la PCB

De todos los factores que afectan a las PCB, dos de los más importantes son la potencia y el calor. Por lo tanto, es crucial determinar los umbrales para cada uno, lo cual puede hacerse evaluando la conductividad térmica de una PCB. Esta define cómo la potencia se convierte en temperatura a lo largo del material. Sin embargo, no existen valores establecidos para la conductividad térmica en toda la industria.

Por ejemplo, Rogers Corp. comercializa un material para PCB, RT/Duroid 5880, que se utiliza frecuentemente en guerra electrónica y comunicaciones. Su constante dieléctrica es baja, ya que se trata de un material compuesto que contiene elementos de microfibras de vidrio. Estas microfibras aumentan la resistencia de la fibra del material.

Debido a su baja constante dieléctrica, la PCB es ideal para aplicaciones que utilizan altas frecuencias. Sin embargo, debido a su baja conductividad térmica, se calienta con facilidad, lo cual puede ser una gran desventaja en aplicaciones con altas temperaturas.

Materiales de PCB y aplicaciones industriales

Para aplicaciones en las industrias militar, aeroespacial, automotriz y médica, las PCB se fabrican en versiones de una y dos caras, algunas revestidas de cobre y otras de aluminio. En cada una de estas industrias, el material se utiliza para obtener el máximo rendimiento en áreas específicas. Por ello, los materiales de PCB se seleccionan por su ligereza en ciertas industrias o por su capacidad para manejar altos niveles de potencia en otras. Por lo tanto, al considerar las aptitudes de rendimiento, es crucial determinar qué funciones deben compararse al seleccionar los materiales de PCB, ya que los niveles de material se correlacionan con los niveles de rendimiento.

Tableros flexibles y rígido-flexibles

En los últimos años, las placas flexibles y rígido-flexibles han ganado popularidad gracias a las opciones que ofrecen para diversos usos. Básicamente, se pueden doblar, plegar e incluso envolver objetos, lo que permite aplicaciones que nunca serían posibles con placas de circuito planas. Por ejemplo, una placa flexible podría usarse para un equipo que requiere que la placa se pliegue en ángulo y aún así conduzca la corriente de un extremo al otro sin necesidad de paneles de conexión.

La mayoría de las placas flexibles del mercado están hechas de Kapton, una película de poliimida creada por DuPont Corporation. Esta película ofrece cualidades como resistencia al calor, consistencia dimensional y una constante dieléctrica de tan solo 3.6.

Kapton viene en tres versiones de Pyralux:

• Retardante de llama (FR)

• No retardante de llama (NFR)

• Sin adhesivo / alto rendimiento (AP)

Selección de materiales para placas PCB: la calidad es lo primero

A la hora de seleccionar materiales para placas PCB, la calidad es fundamental en la construcción de cualquier tipo de placa, ya sea para electrónica doméstica o equipos industriales. Un componente que contiene una placa de circuito impreso puede ser grande o pequeño, económico o caro, pero lo más importante es que ofrezca un rendimiento superior durante toda su vida útil.

Si bien existen varios tipos de materiales de PCB que se utilizan en una placa, la fiabilidad del producto es, en última instancia, lo que consumidores y empresas buscan en productos que utilizan placas de circuito. Por supuesto, también es crucial que los materiales de la placa de PCB sean lo suficientemente resistentes como para mantenerse unidos, incluso si un componente se cae o se golpea accidentalmente.

En equipos informáticos, por ejemplo, las PCB resistentes garantizan que se puedan realizar actualizaciones de hardware sin dañar los materiales preexistentes de la placa. Lo mismo ocurre con dispositivos electrónicos, microondas y otros electrodomésticos que dependen de la tecnología PCB para su correcto funcionamiento. Incluso en instalaciones públicas electrónicas como cajeros automáticos, las PCB deben funcionar sin problemas para que los botones funcionen y los comandos se entiendan sin demora.

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