Propiedades fundamentales de los materiales dieléctricos

Alfonso Blanco Fontao
|  April 13, 2020
Propiedades fundamentales de los materiales dieléctricos

Una de las decisiones claves de todo proceso de diseño de circuito impreso es la elección de los materiales con los cuales vamos a fabricar nuestro PCB. Del acierto en esta decisión dependerá en gran medida el rendimiento y el coste de la tarjeta. Es indispensable, por tanto, conocer al detalle las propiedades de dichos materiales.

Propiedades térmicas

Coeficiente de expansión térmica

Los materiales en general se dilatan y se contraen con los cambios de temperatura.

En el caso de las tarjetas electrónicas, esta propiedad resulta de especial importancia: recordemos que para soldar componentes en el PCB, necesitamos elevar la temperatura para llegar a fundir la pasta o el hilo de soldadura. Además, cuando la tarjeta esté ya fabricada y funcionando en el dispositivo final, es posible que haya variaciones de temperatura que puedan provocar tensiones mecánicas en los puntos de soldadura. Ello podría provocar alabeo (warpage) o daños en los orificios metalizados.

Se mide en partes por millón por cambio de temperatura en grado centígrado.

La expansión térmica puede darse tanto en el plano X-Y como en el eje Z. Por la estructura de la mayoría de los materiales dieléctricos empleados en la fabricación de PCBs, la expansión X-Y es siempre menor que la Z. Tanto es así que la temperatura a partir de la cual el coeficiente de expansión térmica en el eje Z se dispara recibe un nombre específico: temperatura de transición vítrea.

Es deseable que este coeficiente sea lo más pequeño y constante posible o, en su defecto, que sea lo más parecida a la de los componentes que se sueldan sobre el PCB.

Temperatura de transición vítrea (glass transition temperature)

Se suele representar como tg. Es la temperatura a partir de la cual el material pasa de un estado sólido a uno viscoso. La resina es la responsable de este efecto, no la fibra de vidrio del material, puesto que representa la variación en el eje Z.

En ningún caso el material deberá superar esta temperatura, bajo riesgo de daño irreparable.

Un ejemplo de este efecto: cuando resoldamos a mano algún componente y calentamos demasiado el pad, es posible que éste se desprenda de la tarjeta, haciéndola muchas veces inservible. Esto ocurre exactamente porque el material se vuelve semi líquido y el pad no se sujeta apropiadamente. Con una mínima fuerza que ejerzamos, lo arrancaremos.

Pad semi arrancado por exceso de temperatura
Características térmicas de los materiales dieléctricos. Pad semi arrancado por exceso de temperatura (Fuente)

Como cabe suponer, materiales con mayor temperatura de transición vítrea tienen un mayor coste.

Temperatura de descomposición térmica

Mediante un método de test descrito en IPC-TM-650, se establece la temperatura a la que el material pierde el 5% de peso con respecto a su peso a 50ºC.

Como su propio nombre sugiere, se considera la temperatura a la que el material se destruye. Será siempre un valor mucho más elevado que la temperatura de transición vítrea.

Propiedades eléctricas

Coeficiente dieléctrico

A menudo nos referimos a esta propiedad como permitividad relativa o constante dieléctrica (aunque, como veremos, no es constante). Se suele representar como erodkNos da una medida de la polarización eléctrica de un material cuando éste es sometido a un campo eléctrico externo.

Es un coeficiente de vital importancia, puesto que establece la velocidad de propagación de una onda electromagnética en el material en cuestión.

Así pues, la velocidad de propagación se define como:

vpcr

En el caso del vacío, este coeficiente es igual a 1: una onda electromagnética en el vacío viaja a la velocidad de la luz. Para otros materiales, er es siempre mayor que 1.

Es un factor que varía dependiendo de la temperatura y de la frecuencia, como puede verse a continuación:

Variación de la constante dieléctrica frente a la temperatura y a la frecuencia
Propiedades eléctricas de los materiales dieléctricos. Variación de la constante dieléctrica frente a la temperatura y a la frecuencia

A la hora de seleccionar un material, es importante que éste presente un coeficiente dieléctrico constante en la banda de frecuencias en las que la tarjeta va a funcionar. Para frecuencias bajas, materiales poco costosos (como cualquier tipo de FR-4) servirán. A medida que incrementamos el rango de frecuencias, el material se volverá más caro.

De igual modo, si las frecuencias son elevadas, sería deseable que el material presente una constante dieléctrica baja, para que el tiempo de propagación de emisor a receptor sea menor (o, dicho de otra manera, que la velocidad sea mayor).

Factor de disipación o tangente de pérdidas

Se suele representar como df o tan. Es una medida de la absorción de una onda electromagnética a medida que se propaga por un material. Interesa que este valor sea lo menor posible, para garantizar que en la propagación de una señal se pierde la mínima energía posible por absorción. Como es lógico, materiales con menor tangente de pérdidas son más costosos.

Se mide en forma de porcentaje.

Resistencia eléctrica

Se define como el máximo voltaje que puede soportar un dieléctrico sin romperse. Es decir, la máxima tensión que podríamos aplicar antes de perforarlo.

Como ejemplo real, podríamos poner la descarga de un rayo durante una tormenta. En ese caso, el dieléctrico es el aire entre las nubes y el suelo. Cuando la acumulación de carga eléctrica en la atmósfera es enorme, ésta busca un camino a tierra (potencial 0). Mientras el dieléctrico (el aire) soporte esos valores de tensión, no se produce el rayo. Cuando la carga es brutalmente enorme, el aire no es suficiente para retenerla y se “rompe”, produciéndose la descarga en forma de rayo.

Es un factor importante para tarjetas de alta tensión.

Se mide en kilovatios por milímetro.

Propiedades físicas

Absorción de humedad

Los materiales dieléctricos orgánicos con los que se fabrican PCBs son higroscópicos. Es decir, absorben humedad, lo cual afecta a la estabilidad dimensional del material (pudiendo cambiar incluso sus dimensiones) y modifica sus características eléctricas (la constante dieléctrica del agua es 80). Adicionalmente, un alto grado de humedad en la tarjeta dificultará ostensiblemente el proceso de soldadura.

Materiales con mayores tasas de absorción de humedad (como por ejemplo la poliamida) necesitan tratamientos especiales (secados en horno) antes del proceso de soldadura.

Se mide en porcentaje de agua en el material.

Conclusión

Todo material dieléctrico viene definido por las propiedades vistas. Éstas impactan fuertemente en el precio y en el rendimiento de nuestros PCBs.

El estándar IPC-4101 recoge las propiedades de los dieléctricos más comunes. Es muy recomendable su consulta.

A continuación podemos ver la tabla de propiedades del material denominado Megtron-6 del fabricante Panasonic. Se trata de una material de muy buenas características eléctricas y a la vez de precio relativamente bajo. Como vemos, aparecen las propiedades principales explicadas en este artículo y alguna más.

Propiedades del material Megtron-6 de Panasonic (Fuente)
Propiedades del material dieléctrico Megtron-6 de Panasonic (Fuente)

 

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Alfonso Blanco es Ingeniero Electrónico especializado en diseño de hardware y de PCBs.Tras múltiples años de experiencia en la industria de la electrónica, Alfonso ejerce actualmente como especialista de diseño de PCBs en el Instituto Politécnico Federal de Zúrich donde, además, imparte una asignatura de iniciación al mundo del circuito impreso. Alfonso posee la certificación CID+ otorgada por IPC.

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