Utilice las mejores herramientas de diseño para especificar los materiales de PCB

Zachariah Peterson
|  Creado: November 9, 2020

Los PCB son capas de láminas metalicas de cobre y material laminar. Las normas de la industria para la seleccion de materiales para PCB se encuentran en la norma IPC-2221 y están disponibles en Altium Designer para su inclusion en los documentos del diseno.

ALTIUM DESIGNER

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Las placas de circuito impreso (PCB) están hechas de capas apiladas de cobre entre capas de material laminar/epoxi preimpregnado (preimpregnados). El preimpregnado más común que se utiliza hoy en día es el FR4 por sus características ignífugas y de fácil abastecimiento. Está preparado para proporcionar un alto grado de aislamiento eléctrico tanto en condiciones secas como húmedas a la vez que mantiene la resistencia mecánica. FR4 es una calidad de material y se suele fabricar con una combinación de materiales que componen una capa de vidrio-epoxi no conductora.

En el mercado hay materiales de epoxi reforzados con fibra de vidrio que no son laminares, aunque su precio es prohibitivo para la mayoría de requisitos de fabricación y diseño. El Instituto de placas de circuito impreso, el estándar de la industria que proporciona la certificación estándar para PCB, ofrece pautas para la elección de materiales en IPC-2221, la norma genérica sobre el diseño de placas de circuito impreso. La norma contiene una gran cantidad de información sobre los materiales básicos, que incluyen productos preimpregnados y adhesivos. Trata también otras consideraciones sobre los materiales para la pasta de soldadura y el revestimiento, además de las marcas y leyendas.

También es posible el empleo de calidades de material laminado de PCB para las características de diseño tales como las propiedades dieléctricas, la creación de componentes pasivos integrados o la gestión térmica. Las propiedades eléctricas suelen controlarse en la PCB mediante diferentes anchuras y grosores de material. Hay tablas que especifican todos los parámetros para realizar la comparación de todos los materiales de PCB, incluyendo FR4, conforme a la norma IPC-2221. Los fabricantes también pueden proporcionar las propiedades del material de las ofertas de preimpregnados para utilizarlos como características de diseño para sus circuitos.

Especificaciones de los materiales de PCB

Definición del grosor y los materiales de la capa

Materiales de la PCB y aplicaciones de la industria

La industria utiliza principalmente material no conductor de grado FR4 entre las capas de cobre para crear placas de circuito impreso. FR4 es una designación de grado NEMA para el material laminado de epoxi reforzado con fibra de vidrio. La designación representa la proporción de fibra y resina e indica características como si es ignífugo, la constante dieléctrica, el factor de pérdida, la fuerza tensil, la resistencia al corte, la temperatura de transición vítrea y el coeficiente de dilatación del eje z. FR4 es ignífugo, por lo que resulta adecuado para los requisitos de seguridad, y es resistente bajo diferentes temperaturas y entornos de humedad, lo que aumenta la calidad de los resultados.

Los materiales laminares se colocan entre capas de cobre y se convierten en sustratos con propiedades dieléctricas correspondientes a los circuitos montados en las placas. Los diseñadores especifican el grosor del substrato para cumplir los requisitos dieléctricos de los circuitos. La norma IPC-2221 contiene tablas que especifican la constante dieléctrica para el grosor variable del FR4 y otros posibles materiales laminados que pueden utilizarse en las capas de sustrato de PCB.

Otra consideración sobre el material cuando se diseñan PCB es el grosor del revestimiento. Los diseños suelen utilizar 28 gr. de cobre para que los planos de alimentación y tierra puedan incluir múltiples rutas de señal durante el funcionamiento del circuito. Con múltiples corrientes atravesando el plano de alimentación y de tierra simultáneamente durante el funcionamiento, debe diseñarse suficiente cobre en el plano. Por lo general, en los planos de alimentación y de tierra se especifican 28 gr de cobre. Los planos de señal se suelen diseñar con 14 gr de cobre, ya que las señales eléctricas se desplazan a través de ellos de una en una. En los trazos de alta velocidad, puede especificarse más o menos cobre para cumplir con las características de impedancia del trazo. Otras consideraciones sobre los materiales incluyen las placas de los orificios, la pasta de la soldadura y la máscara de la soldadura.

Los fabricantes continúan descubriendo materiales más adecuados para las señales de alta velocidad. Los materiales pueden afectar negativamente a la integridad de la señal y al cristal no tejido, entre otras cosas, y se ha determinado que los materiales laminares reducen la interferencia de la señal para mantener la integridad. Estos materiales son adecuados para radares y microondas, pero son más caros de producir. Consultar a los fabricantes es una buena idea para encontrar el punto ideal entre la integridad de la señal y el coste de fabricación del diseño.

Diseño de PCB con los materiales adecuados

Ver las capas de material eléctricas y mecánicas

Seleccione las capas y utilice la configuración de la vista en la pantalla

Hay ajustes predeterminados dentro de la herramienta que le permiten elegir el número de capas. Pueden especificarse hasta 32 capas para las características eléctricas y mecánicas. Las capas establecidas de señales y planos y su ubicación dentro del diseño se gestionan desde aquí. Podrá ver las capas mecánicas con notas de fabricación.

También podrá utilizar las vistas para analizar las capas eléctricas y mecánicas para que el material necesario cumpla con el uso del diseño. El diseño para la fabricación incluye la consideración de los materiales de fabricación comunes frente a la necesidad de la integridad de la señal. Las características adicionales del material que debe analizar para su diseño son las propiedades dieléctricas, tales como la tensión de ruptura y la capacidad de los sustratos para evitar corrientes de fuga.

  • La elección de FR4 y la aplicación del precio a su diseño.

Considere la compensación del coste de fabricación con las PCB de FR4

  • Utilice la información de la fabricación a la hora de elegir los materiales para el diseño en la fabricación, incluyendo el uso de RF y microondas.

Obtener más información acerca de los materiales y su impacto en la alta velocidad en la fabricación.

  • Emplee la selección del material para integrar el refinamiento del diseño de sus circuitos.

Aplique las mejores prácticas para la selección de materiales de PCB de alta frecuencia.

Cómo se debe especificar el material para circuitos impresos

Las capas de una PCB están construidas con materiales laminares para crear el sustrato y con cobre para soportar la propagación de las señales. Los fabricantes comienzan con una base hecha con un sustrato y una lámina metálica de cobre. El núcleo está compuesto por un sustrato con una lámina metálica de cobre adherida a las dos caras planas del sustrato. Los trazos de señal se graban desde el cobre usando la información de vector contenida en archivos Gerber. Para crear más capas, se graban núcleos adicionales específicos del dibujo y luego se adhieren juntas con material preimpregnado. El material preimpregnado suele ser el mismo material utilizado como sustrato en la base. El mismo material se utiliza para las características que se ajustan a la impedancia para mantener la integridad del diseño. Para las placas de múltiples capas, se graban varios núcleos con el diseño y se laminan juntos con material preimpregnado para producir la pila de capas final.

Las capas se calientan y se presionan, con lo que el material preimpregnado se forma alrededor de los trazos grabados. Este proceso no deja huecos dentro del material. Las máquinas de la industria se controlan para asegurar que las capas queden uniformes. Sin técnicas de fabricación precisas, las capas serán irregulares y aumentará la posibilidad de que se produzca un cortocircuito.

Materiales para circuitos impresos

Cree su pila y especifique las constantes dieléctricas y los revestimientos

Utilice Layer Stack Manager para especificar los materiales de diseño

Podrá especificar el material y el grosor de cada capa de su diseño con Layer Stack Manager de Altium. Las propiedades de los materiales como las dieléctricas, el cobre y la máscara de la soldadura se detallan para la eventual comunicación a su fabricante en los documentos de montaje. Se especifican propiedades tales como el grosor, la holgura entre el borde del plano y el borde de la placa, la expansión de la capa de cobertura y la orientación de los componentes en las capas externas. Se detallan los materiales para la soldadura y la máscara de adherencia, junto con los agujeros de taladro y el revestimiento necesarios.

  • Pregunte a un fabricante por qué el cristal y el FR4 son populares para las PCB

Escuche a un fabricante hablar sobre los preimpregnados.

  • Cree su pila de capas para PCB rígidas y rígido-flexibles.

Descubra las aplicaciones rígidas y rígido-flexibles para su PCB.

  • Descubra las mejores prácticas para la selección del material de la PCB.

Obtener información sobre los materiales de la PCB y cómo seleccionarlos para una alta frecuencia.

Materiales de PCB populares y cómo especificarlos en su PCB

Consiga que su pila diseñada esté documentada para la comunicación con el fabricante gracias a Layer Stack Manager de Altium. Los nombres de las capas, el tipo de capa y la designación de su material, su grosor, tipo dieléctrico y constante se especifican en Layer Stack Manager. La información está disponible para la publicación de planos de montaje para la comunicación con el fabricante. La herramienta Drafstman de Altium Designer proporciona información sobre la constante dieléctrica del cobre y los materiales de la pila de capas necesaria para realizar el diseño.

Los materiales para la pasta de soldadura y el revestimiento de los orificios también se comunican. El uso de materiales RoHS se está generalizando, ya que la eliminación de plomo y otros materiales tóxicos se está haciendo obligatoria en todo el mundo. Con la soldadura y la pasta de soldadura libres de plomo, los materiales de PCB deben soportar temperaturas más altas durante la fabricación, por lo que aquí pueden añadirse instrucciones especiales

Las instrucciones de montaje y los detalles de fabricación se enumeran en las capas mecánicas de uso general creadas en la pila de capas. Las capas especiales dentro de Layer Stack Manager están dedicadas a especificar la serigrafía, la soldadura y la máscara de adherencia, la información de las vías, las zonas sin componentes y las capas de conexión. Puede accederse a cada elemento de Layer Stack Manager con un doble clic seguido de la edificación.

Uso de Layer Stack Manager para detallar los materiales de la PCB

Con la herramienta Drafstman de Altium, podrá comunicar las especificaciones de los materiales a los fabricantes. Drafstman toma la información de Layer Stack Manager y muestra explícitamente las propiedades de los materiales en el dibujo del montaje. Los fabricantes utilizan esta información para fabricar las placas del circuito impreso.

  • Analice los efectos del cobre para sus dudas sobre la integridad de la señal de su plano.

Obtenga más información sobre un autor y titular de una patente para informar sobre las elecciones del cobre.

  • Utilice herramientas de distribución de cobre de Altium Designer para todas las funciones en su PCB.

Investigue la facilidad de gestionar las características del cobre al diseñar.

Un paso importante en el diseño de PCB es la especificación de materiales para la comunicación con los fabricantes. Layer Stack Manager de Altium es la herramienta que ofrece hasta 80 plantillas de capa para especificar capas eléctricas, mecánicas, especiales u otras capas necesarias para la fabricación de una placa de circuito impreso.

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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