Características del material FR-4 para el diseño de PCB

Zachariah Peterson
|  Creado: February 23, 2021
Circuit Board Design

Las reglas de diseño definen los requisitos de diseño y establecen las instrucciones del editor de PCB de Altium Designer. Con el diseño de reglas podrá abordar cada aspecto de su diseño y completarlo conforme los requisitos de diseño varíen. Comprobar las reglas en el revisor de reglas de diseño le permitirá implementar con éxitos sus capas de FR4 para placas de circuitos impresos.

Su diseño de PCB comienza con un sustrato de aislamiento, normalmente de un material conocido como FR4, como núcleo. La designación FR4 hace referencia a las propiedades pirorretardantes del material dieléctrico y al laminado de epoxi reforzado de vidrio tejido tipo 4 para el sustrato. Este tipo de material laminado presenta elevadas propiedades mecánicas y de aislamiento eléctrico, independientemente de la humedad y es la opción ideal para muchas aplicaciones de componentes electrónicos. Con las características de FR4 se reducen los costes de producción de PCB.

Seleccione el grosor de FR4 correcto para su aplicación

A pesar de la fiabilidad general y del uso frecuente, el FR4 estándar tiene propiedades que limitan su elección para aplicaciones específicas. Conforme va trabajando en su diseño de PCB, necesita también determinar el grosor de FR-4 correcto. Altium Designer proporciona las herramientas necesarias para adoptar la decisión apropiada sobre FR4 en su diseño. Puede utilizar las reglas de diseño de Altium junto con estas herramientas cuando tiene en cuenta propiedades básicas de materiales, la fiabilidad de fabricación del circuito y el rendimiento en el uso final.

Los problemas con sustratos de FR4 estándares pueden afectar de forma significativa a su diseño. Esos problemas ocurren por las propiedades térmicas, eléctricas, químicas y mecánicas del FR4. Por ejemplo: las aplicaciones de alta temperatura hacen que el coeficiente de expansión térmica (CTE) del FR4 se eleve a niveles que excedan la temperatura de transición del vidrio (Tg). Conforme el CTE continúa elevándose, se produce una falta de coincidencia entre la temperatura de transición del vidrio y el coeficiente. Cuando esta falta de coincidencia tiene lugar, el ciclo térmico hace que la placa sea inestable eléctrica y mecánicamente. A su vez, la inestabilidad hace que se produzcan daños en el revestimiento de vías de paso, se eleven pads y que aparezcan grietas en la resina de la superficie.

Conocer la necesidades y características de FR-4 para aplicaciones de radiofrecuencia

Las limitaciones se hacen también evidentes al utilizar FR4 estándar con aplicaciones de radiofrecuencia. Por un lado, la estabilidad dieléctrica puede alterarse en frecuencias superiores. Junto con un factor de disipación superior (Df) y pérdidas de inserción superiores en frecuencias de microondas de 1 GHz a 15 GHz, las pistas en FR4 sufren una atenuación superior en frecuencias RF. Además, el grosor del FR4 afecta la constante dieléctrica efectiva de la PCB y a la coincidencia de la impedancia superior requerida para los circuitos de radiofrecuencia. Cuando se trabaja con circuitos de radiofrecuencia, la selección de FR4 de alto rendimiento que puede manipular múltiples ciclos de laminación y tiene buenas características de fiabilidad es la solución para esos problemas.

El editor de PCB de Altium Designer le ayuda con el proceso de diseño tridimensional

Cada uso del FR4 afecta al rendimiento eléctrico de la PCB. A su vez, su decisión de seleccionar la placa y el grosor de la capa afecta además al funcionamiento de la PCB. Altium Designer simplifica el proceso de crear placas multicapa designando el tipo y el grosor del sustrato de aislamiento. Al proporcionar una plataforma de diseño que abarca el proceso de principio a fin e incluye herramientas integradas, Altium Designer le permite abordar cuestiones sobre el factor de forma de su proyecto de PCB o el impacto de la selección de componentes en el grosor de la placa.

Altium Designer tiene los recursos apropiados para incorporar FR4 en su diseño rígido-flexible complejo. Puede establecer los requisitos electromecánicos tridimensionales que le aseguran que su placa acabada se incorpore en el plegado dentro de la caja. Traducir estos requisitos en una maqueta mecánica le ofrecen una vista precisa y realista de todos los elementos mecánicos y físicos. Altium Designer pone a su disposición las herramientas para analizar la fase del momento de montaje así como el montaje finalizado.

Ya que el editor de PCB soporta 32 capas de señales y 16 capas de planos, puede definir las capas de aislamiento en el PCB entero para diseños rígidos tradicionales. Normalmente estos diseños rígidos utilizan FR4, y Altium Designer permite seleccionar de forma flexible una variedad de materiales o utilizar un laminado de alta frecuencia con la combinación de muchas capas de laminado de FR4 y prepreg. Con la disponibilidad del editor de PCB y otras herramientas, Altium Designer satisface las demandas de diferentes aplicaciones.

Definir siluetas de capas en Altium Designer

Definir siluetas de capas en Altium Designer

Use Altium Designer para definir la silueta de la placa

El editor de PCB y Layer Stack Manager de Altium Designer son también compatibles con diseños rígido-flexibles que no tienen una serie de capas coherente en el diseño de PCB al soportar múltiples pilas de capas. Con este acercamiento, puede utilizar la pila de capas maestra para definir el conjunto total de capas disponibles, junto con las subpilas, para el diseño. Altium Designer establece la definición y la nomenclatura de cada subpila y le asigna una capa bajo pila a un área concreta de la silueta de la placa.

Puede utilizar el comando de silueta de placa para definir el espacio de la placa para su diseño. El comprobador de reglas de Altium Designer, el enrutador automático y otros motores de análisis inteligente trabajan dentro de la silueta de la placa.

Utilice Layer Stack Manager de Altium Designer para definir el apilado de capas.

Ya que las capas de FR4 más gruesas tienen más masa térmica y pueden disipar más calor de los componentes, la posibilidad de expansión térmica que causa daños existe. El editor de PCB de Altium Designer incluye las capas de señal, plano de potencia, máscara de soldadura, serigrafía y físicas necesarias para la fabricación de su placa física. Puede utilizar Layer Stack Manager para agregar y eliminar capas dieléctricas, seleccionar FR4 como material dieléctrico y configurar el grosor de la capa FR4. Además, con el editor de PCB podrá además configurar la constante dieléctrica para el sustrato.

En este editor de PCB puede configurar las propiedades dieléctricas necesarias para el análisis de integridad de la señal. La interfaz intuitiva de Altium Designer le permite con solo hacer doble clic en una celda configurar los ajustes. Ya que el editor de PCB le ofrece la ventaja de trabajar en un entorno gestionado por reglas, el comprobador de reglas de diseño de Altium Designer controla cada acción, comprueba el cumplimiento con las reglas de diseño y detecta errores de diseño. Todo este le permite enfocarse en su diseño.

Su trabajo con FR4 empieza con el gestor de apilado de capa en Altium Designer. El gestor de apilado de capas le ayuda a definir la estructura de placa en vertical, o en la dirección Z, así como la silueta de la placa. Altium Designer presenta los recursos necesarios para responder a la demanda de diseños de PCB complejos.

Si su diseño requiere una placa rígido-flexible multicapa, el gestor de apilado de capas de Altium Designer le permite diseñar PCB con más de 30 capas. Simplemente colocando el puntero y haciendo clic en los diferentes menús, puede:

  • Añadir capas.
  • Borrar capas.
  • Y mover capas.

Cuando trabaja con la capa dieléctrica de FR4, puede especificar un nombre para la capa, mostrar el tipo de capa, establecer el grosor de la capa en milímetros o milipulgadas, configurar la constante dieléctrica e incluso seleccionar el grosor del recubrimiento del cliente.

Layer Stack Manager para PCB multicapa en Altium Designer

Layer Stack Manager para PCB multicapa en Altium Designer

Documente su apilado de capas con Altium Designer

Draftsman de Altium Designer proporciona las herramientas de documentación que necesita para sus diseños complejos. Puede crear documentación de alta calidad que incluya dimensiones, notas, tablas de apilado de capas y tablas de perforación. Draftsman proporciona extracción automática de los datos de dibujo desde el documento PCB fuente y las opciones para crear documentos de montaje multipágina y de fabricación. Puede utilizar Draftsman para acceder a vistas de dibujo comunes y adicionales como la vista de montaje, de fabricación, de secciones y de dibujo de perforaciones, así como utilizar una amplia variedad de herramientas de dibujo manuales para añadir detalles a tus dibujos. Draftsman crea ficheros de salida en formato .pdf o de documentación de salida como Outjobs.

Altium Designer utiliza el cuadro de diálogo Layer Stack Manager y Layer Stack Legend en Draftsman para documentar estructuras de apilado de capas complejas. La vista Layer Stack Legend de Draftsman muestra descripciones e información detallada, como los ficheros Gerber, para cada capa de la pila. Puede utilizar el comando Layer Stack Legend o seleccionar un icono de las vistas adicionales en la barra activa de Altium Designer.

La información para cada capa se asocia con los atributos en la pila de capas de la placa. Puede utilizar los comandos de la tabla y las opciones encontradas en las propiedades de la tabla para construir tablas personalizadas que muestren información. Por ejemplo, puede construir una tabla que muestre el material FR-4 utilizado para las capas dieléctricas.

FR4 es la opción de sustrato para muchas aplicaciones por su bajo coste y propiedades mecánicas. Aunque los equipos de diseño siempre buscan minimizar costes, la plataforma unificada de Altium Designer permite a los equipos considerar todos los temas asociados con FR4. Puede utilizar las reglas de diseño de Altium, el editor de PCB y el administrador de apilado de capas para que le ayuden a decidir cuáles son los materiales apropiados para su diseño de placas.

Sobre el autor / Sobre la autora

Sobre el autor / Sobre la autora

Zachariah Peterson tiene una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Actualmente brinda servicios de investigación, diseño y marketing a empresas de la industria electrónica. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland y realizó investigaciones sobre la teoría, los materiales y la estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas de láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sensores ambientales y estocástica. Su trabajo ha sido publicado en más de una docena de revistas revisadas por pares y actas de congresos, y ha escrito más de 1000 blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Es miembro de IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society y Printed Circuit Engineering Association (PCEA), y anteriormente se desempeñó en el Comité Asesor Técnico de Computación Cuántica de INCITS.

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