Nuevos materiales para las PCB

Happy Holden
|  Created: September 12, 2019  |  Updated: September 9, 2020

 

Si has oído hablar recientemente de las nuevas HDI-PCB de más alta densidad utilizadas por Apple y denominadas SLP, y de sus procesos como SAP, o uSAP o mSAP (Semi-Additive Processes, procesos semiaditivos), estos son los circuitos impresos que se están reduciendo a 30 micrones, con pistas y espacios de 25 micrones (1 mil). Actualmente se calcula que las HDI superan los 250 millones de metros cuadrados producidos al año, cifra que sigue en aumento. ¡Pero SAP no es algo NUEVO!  Ya lo usábamos hace tiempo en los años 60 y 70 cuando elaborábamos las placas de acero recubierto de epoxi y cuando Photocircuits creaba las PCB de fabricación aditiva. 

En la Figura 1 se muestra un desglose de los 11 materiales que actualmente se usan para las HDI. Por orden de uso:

  • Prepregs con taladrado láser - 38,4 %
  • RCC - 28,3 %
  • Prepregs convencionales - 19,2 %
  • Film ABF - 5,0 %
  • Epoxi líquido - 3,3 %
  • Otros - 3,2 %
  • BT - 1,8 %
  • Aramida - 0,4 %
  • Poliimida - 0,3 %
  • Film seco fotosensible - 0,1 %
  • Dieléctricos líquidos fotosensibles - ~0,08 %

Los principales materiales de las PCB son las resinas poliméricas (dieléctricas) con o sin relleno, los refuerzos y las láminas metálicas. Para crear una PCB, se apilan capas alternativas de dieléctricos, con o sin refuerzo, entre las láminas metálicas. 

En la Tabla 1 se muestra una lista actualizada de los materiales de las HDI extraída de Internet. Muchos de los materiales son epoxi, pero algunos son BT, PPE, éster cianato y acrilatos modificados. Los materiales más nuevos son los cada vez más abundantes prepregs con taladrado láser. 

Tabla con los tipos de materiales para PCB, sus resinas termocuradas y sus resinas fotocuradas

Materiales de PCB: diagrama de los dieléctricos habituales en las PCB y sus propiedades eléctricas

Además de las resinas termoendurecibles, se utilizan resinas termoplásticas incluidas la poliimida y el politetrafluoroetileno (PTFE). Al contrario de la versión termoendurecible de la poliimida, que es relativamente frágil, la versión termoplástica es flexible y se suministra en forma de film. Suele utilizarse para elaborar circuitos flexibles, además de circuitos combinados denominados rígido flexibles. El film de poliimida puede fabricarse de varias formas y suele suministrarse como un laminado completamente curado con láminas de cobre en una o ambas caras. Es también más caro que el epoxi y solamente se utiliza cuando es necesario. En la Figura 1 se muestra la gama de propiedades eléctricas de todos los dieléctricos para HDI más habituales. PTFE se valora por sus excelentes propiedades eléctricas y baja absorción de la humedad. Normalmente se le añade relleno para modificar su constante dieléctrica en aplicaciones concretas. Un ejemplo típico es un circuito utilizado en aplicaciones de microondas donde se necesita poca pérdida y un alto factor Q a frecuencias muy altas. Los PTFE se encuentran entre los materiales más caros, pero su uso sigue creciendo debido al aumento continuo de las frecuencias y las aplicaciones inalámbricas. 

Los fabricantes de fibra de vidrio han estado trabajando en formas de reducir al mínimo los problemas de taladrado. Han creado dieléctricos con el denominado taladrado láser distribuyendo los hilos en ambas direcciones y haciendo que el tejido sea más uniforme, lo que minimiza las áreas sin fibra de vidrio, además de las áreas de cruce, como se ilustra en la Figura 2. 

Nuevos materiales para circuitos impresos: prepregs convencionales y prepregs de fibra de vidrio con taladrado láser

El tejido fabricado con este tipo de vidrio es más caro y solamente se utiliza cuando es necesario. También se usa con sistemas de resinas de alto rendimiento, lo que encarece relativamente los dieléctricos resultantes. 

Otros refuerzos

Con el tiempo se han venido usando otros refuerzos para elaborar las PCB. Un producto que ya no está disponible es un papel de fibra de aramida cortada llamado Thermount. Lo suministraba DuPont y ofrecía varias propiedades positivas. Al ser un material termoplástico, se cortaba a láser más como la resina y, al ser papel, no presentaba el problema que plantean los tejidos en las áreas de cruce. Además poseía una constante dieléctrica muy buena, lo que constituía una ventaja para los circuitos de alta velocidad. Thermount tenía algunos problemas con la absorción de la humedad y era relativamente caro. En 2006, DuPont decidió suspender la fabricación de este producto. Sin embargo, Shin-Kobe Electric en Japón aún sigue fabricando tres tipos distintos de laminados y prepreg de aramida. Se continúan investigando alternativas a este producto. Además de Thermount, se han usado otros refuerzos no tejidos, incluido un papel de fibra de vidrio cortada y una matriz ampliada de PTFE. La matriz de PTFE se ha incorporado a una resina de alto rendimiento y está disponible como un producto llamado GorePly. Aunque GorePly presenta unas excelentes propiedades eléctricas, es caro y solamente se usa cuando es necesario.

Ajinomoto Buildup Film

El film Ajinomoto Buildup Film (ABF) es el principal dieléctrico para SAP. Consta de una serie de dieléctricos en film muy delgados elaborados con endurecedor de epoxi/fenol, éster cianato/epoxi, y éster cianato con olefina termoendurecible (Tabla 2). El tipo epoxi también está disponible sin halógenos. El film delgado (de 15 a 100 um de espesor) se basa en un film PET de 38 um y se protege con un film de recubrimiento OPP de 16 um. El material se lamina al vacío en unas máquinas especiales con cinta transportadora (Figura 3) que siguen un proceso de cinco etapas: 

  • Preparación de la superficie del núcleo dieléctrico y el cobre
  • Secado del núcleo (a 130 ºC durante 30 min.)
  • Autocortado de ABF, retirar el film de recubrimiento y colocación
  • Laminado al vacío del ABF y prensado metálico en caliente 
  • Retirada del film y posterior curado (a 170-190 ºC durante 30 min.)

FIGURA 3: Laminación al vacío en cinta transportadora y prensa en caliente para film ABF.

Laminación al vacío en cinta transportadora y prensa en caliente para film ABF, otro de los nuevos materiales para circuitos impresos

Los films ABF, al igual que los dieléctricos líquidos y los films secos, deben metalizarse de forma semiaditiva (SAP). Los pasos clave son acondicionamiento, hinchamiento del solvente, grabado de la película antes del metalizado, grabado y recocido (posterior al curado). Las condiciones y los pasos determinarán las fuerzas de adherencia del cobre resultantes y se explican en el Capítulo 8 - Acondicionamiento y metalizado del manual HDI (que puede descargarse gratuitamente en http://hdihandbook.com).

Film seco fotosensible

Hubo un tiempo en el que se pensaba que los dieléctricos de film seco fotosensible eran los dieléctricos HDI definitivos, ya que no se necesitaba ningún equipo externo para producir las vías. Esto resultó no ser así, ya que se trataba de sistemas de fotorresistencia negativa, y por tanto necesitaban energía ultravioleta para curar permanentemente el dieléctrico. Cualquier área del film que quedase sin exponer se revelaría. El problema resultó ser la limpieza del recubrimiento y de las instalaciones de exposición. Se exigía una sala limpia de clase 100 para semiconductores, algo que era demasiado caro para la mayoría de los fabricantes. En Japón, algunos OEM que todavía poseen sus propias instalaciones siguen usando este dieléctrico. Funciona muy bien con el taladrado láser y SAP.

Características del Ajinomoto Buildup Film, uno de los más novedosos materiales para la fabricación de circuitos impresos
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Happy Holden, hoy jubilado, trabajó en GENTEX Corporation (uno de los fabricantes de equipos originales de electrónica para el sector de la automoción más grandes de EE. UU.). Además, fue director técnico del mayor fabricante de PCB del mundo, HonHai Precision Industries (Foxconn) en China. Antes de Foxconn, Holden ocupó los cargos de tecnólogo sénior en PCB en Mentor Graphics y director de tecnología avanzada en NanYa/Westwood Associates y Merix Corporations. Trabajó asimismo en Hewlett-Packard durante 28 años. Ha ocupado también los puestos de director de I+D de PCB y director de ingeniería de fabricación. Mientras trabajaba en HP, dirigió las divisiones de diseño de PCB, alianzas en el sector y software de automatización en Taiwán y Hong Kong. Happy ha estado involucrado en tecnologías de PCB avanzadas durante más de 47 años. Ha publicado capítulos sobre tecnología HDI en 4 libros, así como su propio libro, un manual sobre diseño de HDI, el cual está disponible gratuitamente en formato electrónico en http://hdihandbook.com. Recientemente, ha completado con Clyde Coombs la séptima edición de un manual sobre circuitos impresos, publicado por McGraw-Hill.

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