DFM en la Selección de Materiales para PCB

Cada diseño debe comenzar seleccionando los materiales que aparecerán en el apilado de la PCB, así como organizando las capas en el apilado para soportar el diseño y el enrutamiento. Esta sección de nuestro curso intensivo sobre fabricación de PCB y DFM se centra en seleccionar los materiales adecuados para su diseño de PCB. Los materiales deben ser seleccionados teniendo en cuenta los requisitos de diseño particulares descritos en sus especificaciones.

Por brevedad para el nuevo diseñador, nos centraremos principalmente en FR-4 ya que es la clase de materiales más comúnmente utilizada para el diseño de PCB.

Proceso Básico de Selección de Materiales

Antes de seleccionar materiales, es importante notar que su fabricante necesita tenerlos en stock antes de decidir incluirlos en su diseño. Si su diseño requiere tipos específicos de materiales, y tiene requisitos específicos para estos en su apilado de PCB, debe contactar a su fabricante y ver si tienen estos materiales en stock o una alternativa compatible. No todos los fabricantes tienen todos los materiales posibles, y puede que no tengan un proceso que sea compatible con cada material. Además, no siempre se pueden mezclar y combinar todos los materiales en un apilado como se desee. Es importante contactar a un fabricante para obtener orientación y asegurar que el diseño que cree será fabricable en procesos estándar.

La IPC ha definido requisitos de compatibilidad de materiales en las normas IPC-4101 e IPC-4103. Estas normas requieren que los fabricantes de laminados creen "hojas de especificaciones" que enumeran propiedades materiales específicas y requisitos de procesamiento. Los fabricantes de laminados diseñarán sus materiales para conformarse a una de estas hojas de especificaciones. Esto permite a un fabricante saber inmediatamente cuándo dos materiales serán compatibles y pueden ser sustituidos el uno por el otro.

• Aprende más sobre las hojas de especificaciones de la IPC y las normas IPC-4101/IPC-4103

Cuando se diseña un PCB, hay varias opciones de materiales a considerar basadas en las necesidades únicas de tu diseño. Antes de seleccionar un material, se recomienda definir primero la funcionalidad y los requisitos de fiabilidad que tu placa debe cumplir. Consulta el diagrama de flujo a continuación para un proceso típico de selección de materiales.

Propiedades de los Materiales de PCB en Detalle

Las propiedades materiales relevantes para los PCBs se dividen en tres categorías:

• Eléctrico
• Térmico
• Mecánico

Los materiales eléctricos son en los que la mayoría de los diseñadores se centran porque a menudo están tratando de alcanzar un objetivo de impedancia específico (para diseños de alta velocidad), pérdida de señal o potencia objetivo (para diseños de alta frecuencia), tensión de ruptura (para diseños de alta tensión), o alguna combinación de estos. Los materiales eléctricos son importantes, pero para consideraciones de DFM, las propiedades mecánicas y térmicas necesitan ser conocidas por su fabricante para que puedan acomodar estas en el proceso de fabricación.

La casa de fabricación que producirá su placa de circuito grabado necesita saber cómo implementar su selección de materiales en su proceso. Si usted selecciona sus propios materiales, por esto es mejor si contacta directamente a su casa de fabricación y les pide que evalúen su apilamiento. En el evento de que no puedan fabricar el apilamiento como usted lo ha diseñado, a menudo pueden sugerir un conjunto de materiales alternativo, un apilamiento alternativo, o a menudo pueden proporcionar un apilamiento estandarizado.

• Aprenda más sobre cómo especificar los requisitos de su apilado a una casa de fabricación

Las propiedades más críticas a considerar para los requisitos eléctricos son la resistencia eléctrica, la constante dieléctrica y la resistencia a la humedad. Consulte la siguiente tabla para obtener una lista de algunos de los materiales más comunes y sus valores de propiedad asociados. Recuerde consultar con su fabricante para obtener datos más específicos sobre las propiedades eléctricas si tiene un requisito especial como un diseño de alto voltaje o un diseño de alta frecuencia.

Para algunos diseños que requieren alta fiabilidad, el agente de curado y el contenido de resina son otros dos factores importantes. Esto es particularmente cierto para diseños de alto voltaje que no tienen suficiente espacio para un gran espaciado entre conductores en el diseño del PCB. Los dos agentes de curado comunes utilizados en los materiales laminados de PCB son DICY y agentes de curado basados en fenólicos. Los fenólicos son preferibles en un diseño de alto voltaje ya que el agente de curado es conocido por producir un material rígido que puede resistir la falla por filamento anódico conductor (CAF). Si tiene un diseño especial, no está de más obtener la recomendación de su fabricante sobre qué sistema de material usar para asegurar la fiabilidad.

Tipos de Lámina de Cobre

Existen múltiples tipos de lámina de cobre utilizados en los laminados de placas de circuito impreso. El más común es el cobre electrodepositado (ED) debido a su facilidad de fabricación y aplicación en un laminado de PCB. La mayoría de los materiales utilizarán este tipo de cobre. El tipo de cobre utilizado en un laminado no es algo que usted, como diseñador, pueda simplemente mezclar y combinar con diferentes laminados. Al seleccionar laminados, ese laminado casi siempre vendrá con un único tipo de cobre, y no podrá sustituirlo por ninguna alternativa.

Una excepción es con algunos materiales basados en PTFE para PCBs de alta frecuencia. Los proveedores de estos materiales saben que sus conjuntos de materiales se utilizan generalmente en diseños de alta frecuencia, por lo que tienden a ofrecer múltiples opciones con diferentes tipos de cobre. El otro tipo estándar de cobre utilizado en estos materiales es conocido como cobre laminado-annealed (RA), aunque los laminados para PCBs de alta frecuencia también podrían tener cobre tratado superficialmente que tiene un perfil muy suave.

• Aprenda más sobre los tipos de cobre en materiales laminados de PCB

Los fabricantes típicamente ofrecerán varios tipos de lámina para que usted elija, siendo los más comunes el electrodepositado y el laminado. Las placas rígidas generalmente utilizarán lámina de cobre electrodepositado, mientras que las placas rígido-flexibles utilizarán lámina de cobre laminado.

Peso del Cobre

El cobre se coloca en los laminados de PCB con un grosor específico, pero esto a menudo se especifica como un peso del cobre en oz./sq. ft. Los valores típicos de peso del cobre encontrados en la mayoría de las placas de circuito son de 0.5 o 1 oz./sq. ft. Si se necesita un peso de cobre más pesado, su casa de fabricación de placas de circuito necesitará tener materiales con cobre más grueso disponible, o necesitarán usar un proceso de chapado que deposite cobre hasta el grosor requerido.

El peso del cobre afectará la fabricación, pero también afectará la temperatura de equilibrio de la PCB, dependiendo de la cantidad de corriente que lleve una pista. Debido a que las pistas de cobre tienen cierta resistencia en corriente continua, producirán alguna pérdida de potencia que se convertirá en calor. El resultado es que una pista más ancha podrá tener una mayor capacidad de transporte de corriente.

Como ejemplo, el par de gráficos a continuación se pueden utilizar como referencia para entender la capacidad de conducción de corriente de las capas internas para espesores comunes de cobre y niveles de temperatura por encima del ambiente. Estos gráficos asumen una pista en un laminado estándar de grado FR-4 sin otro cobre cercano. Cada línea en el gráfico superior corresponde a un aumento de temperatura por encima del valor ambiental que se esperaría observar para cada par de valores de área de pista y corriente vistos a lo largo de los ejes x e y.

Dos ejemplos se trazan para ilustrar cómo usar esta imagen:

• Curva roja: Esta curva indica que una pista de aproximadamente 140 mil de ancho fabricada con cobre de 1 oz./sq. ft. esperaría ver un aumento de temperatura de aproximadamente 10 grados si conduce 3 A.
• Curva roja: Esta curva indica que una pista diseñada para llevar 1 A de corriente experimentará un aumento de temperatura de unos 30 grados si se fabrica con 0.5 oz./sq. ft. con un ancho de pista de aproximadamente 40 mils.

Hay algo importante que destacar aquí: estos gráficos suelen ser muy conservadores y pueden predecir en exceso la temperatura que esperarías ver en la placa durante su funcionamiento. Cabe señalar que la colocación de una capa de plano de cobre debajo de la traza relevante, o un vertido de cobre alrededor de la traza, ayudará a reducir la temperatura de la traza y de la placa en su conjunto. Esta es una de las múltiples requisitos de diseño de PCB que afectará tu capacidad para fabricar un PCB.

• Ir a la Parte 3: DFM en Tu Diseño de PCB

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