Materiales de núcleo de PCB vs. prepeg: lo que los diseñadores necesitan saber

A veces me llegan preguntas de diseñadores que desean saber más acerca de la selección de los materiales y proceso de fabricación de las PCB. Si bien yo no soy fabricante, a los diseñadores les conviene comprender ciertas cosas acerca de los materiales de construcción a su disposición al trabajar en un nuevo proyecto. Una pregunta que me hacen con frecuencia es cuál es exactamente la diferencia entre los núcleos de PCB y los materiales preimpregnados (o "prepegs") A veces estos términos se utilizan indistintamente, ciertamente por parte de diseñadores novatos. He de reconocer que incluso a mi también me ha pasado esto al principio.

Una vez que la diferencia entre prepeg y núcleo quede clara, ¿qué material debe usar en su aplicación? ¿Cómo cambian los parámetros eléctricos importantes durante el chapado, el grabado y el curado? A medida que cada vez más diseñadores se van familiarizando a trabajar con frecuencias en el orden de los GHz, estos puntos se vuelven muy importantes para determinar adecuadamente las trazas de estos materiales y para evitar complejos problemas con la integridad de la señal.

La diferencia entre núcleo de PCB vs. prepeg

Los núcleos de PCB y los laminados son similares y, en ciertos aspectos, muy diferentes. El núcleo está conformado de una o más láminas de prepeg que se han prensado, endurecido y curado al calor, y el núcleo está chapado con película de cobre en cada cara. El material prepeg está impregnado de una resina, que está endurecida pero sin curar. La mayoría de los fabricantes describen al prepeg como la "cola" que adhiere a los materiales del núcleo. Cuando hay dos núcleos apilados en cada una de las caras de una lámina de prepeg, el exponer esta pila al calor hace que la resina comience a adherirse a las capas adyacentes. La resina endurecida cura lentamente a través del reticulado, y sus propiedades resultantes comienzan a aproximarse a las de las capas del núcleo.

El material de la resina actúa como revestimiento a un tejido de fibra de vidrio, y el proceso de fabricación de este tejido es muy similar al que se usa en hilado de lana. El tejido de vidrio puede ser bastante tupido (por ejemplo, 7628 prepeg) o también holgado (por ejemplo, 1080 prepeg), lo cual se controla con un telar durante la fabricación. Cualquier hueco y la homogeneidad general de la fibra, determinarán las propiedades electromagnéticas, y a la vez es responsable de la dispersión, las pérdidas y cualquier efecto de las fibras sobre las señales en la tarjeta.

Tejidos FR4 de núcleo de la PCB / prepeg y sus propiedades más importantes.

Los materiales de núcleo de PCB vs. prepeg pueden tener constantes dieléctricas algo diferentes entre sí, dependiendo del contenido de resina, tipo de resina y tejido de la fibra de vidrio. Esto puede resultar problemático al diseñar tarjetas que requieren de un emparejamiento de impedancias muy preciso, puesto que la constante dieléctrica de una señal sobre una pista depende de las constantes dieléctricas de los materiales circundantes. No todos los materiales de núcleo y prepeg son compatibles entre sí, y las pilas de núcleo / prepeg con constantes dieléctricas muy diferentes, dificultan la predicción exacta de las constantes dieléctricas y pérdidas en una interconexión (ver abajo).

Con cualquier núcleo de PCB o material prepeg, las posibles fugas o corrientes residuales son motivo de preocupación cuando hay altos voltajes. La electromigración del cobre y el consiguiente crecimiento de los filamentos conductivos son una de las razones de las especificaciones de fuga para materiales FR4. Este problema, además del deseo de incrementar las temperaturas de transición vítrea y de descomposición, motivaron un cambio a las resinas sin diciandiamida (non-DICY) en las láminas y núcleos FR4.  Las resinas fenólicas ofrecen unas mayores temperaturas de transición vítrea y de descomposición en comparación con las resinas DICY, y a la vez ofrecen una mayor resistencia de aislamiento después de haber curado totalmente.

Constante dieléctrica efectiva para materiales de núcleo y prepeg

Con las evidentes variaciones estructurales que existen entre los materiales de núcleo y prepeg, obtener un valor preciso de la constante dieléctrica y la tangente de pérdidas es importante desde el punto de vista de la integridad de la señal. Cuando las señales tienen un tiempo de subida reducido, seguramente bastará con tomar un valor de una tabla de datos de marketing. Una vez que las frecuencias de transición o señales analógicas llegan al orden de los GHz, es necesario ser cuidadoso con los valores que se toman de las tablas, especialmente a la hora de modelar comportamientos interconectados y cuando se usa el enrutamiento de impedancia controlada.

El problema con los valores de la base de datos es que la constante dieléctrica real medida depende del método de ensayo, la geometría del enrutamiento, las frecuencias específicas (especialmente en el rango de los GHz), el contenido de resina y hasta del grosor del material. John Coonrod ha tratado exhaustivamente este problema en un podcast reciente. El dibujo del tejido en los materiales de núcleo PCB / prepeg los vuelve altamente heterogéneo y anisotrópicos, lo que significa que las propiedades importantes del material varían en el espacio y en diferentes direcciones. Esto es lo que causa los efectos del tejido de las fibras, como las desviaciones y las cavidades resonantes.

Tal vez se pregunte : ¿por qué influye el grosor de las láminas a la hora de describir las propiedades de un material? La razón es que el parámetro más importante que caracteriza el comportamiento de una señal es la constante dieléctrica efectiva (recuerde que es una cantidad compleja), que depende de las dimensiones del trazado y del grosor de la capa a usar en su material. Puede consultar estos artículos acerca de líneas de transmisión microstrip y stripline simétricas.

Por último, el otro parámetro importante a considerar es la rugosidad del cobre en una lámina dada. Los dos artículos que mencioné anteriormente ofrecen valores para la constante dieléctrica efectiva para diversas geometrías de línea de transmisión microstrip y stripline asumiendo una rugosidad nula para el cobre. Sin embargo, existe una aproximación lineal simple que se puede usar para tomar en cuenta la rugosidad del cobre:

Constante dieléctrica efectiva con rugosidad del cobre

En esta ecuación, H es el grosor del dieléctrico, y zRMS es el valor cuadrático medio (desviación estándar) en la rugosidad. Este valor de RMS debería venir especificado por el fabricante de la lámina. Si usted está diseñando para altas velocidades y necesita enrutamiento controlado por impedancia, su fabricante debería ser capaz de indicarle estos valores. Para el modelaje, necesitará utilizar el modelo adecuado para describir la rugosidad; puede consultar este artículo del Signal Integrity Journal para más información. 

Si está trabajando a velocidades o frecuencias extremadamente altas con bajos niveles de señal y necesita de una caracterización de interconexiones altamente precisa, la mejor opción es crear un cupón de prueba y usar una medición estandarizada para determinar la constante dieléctrica efectiva. El método de prueba debe usar una geometría cercana a la geometría de interconexión prevista. Esto lleva algo de trabajo, pero unas pruebas y medidas precisas podrían ahorrarle ejecuciones de prototipos innecesarias a fin de cuentas.

Al elegir entre una gama de materiales de núcleo de PCB vs. prepeg, el administrador de pila de capas del Altium Designer^® puede ser una gran ayuda. Tendrá acceso a una biblioteca de materiales que contiene importantes datos de una amplia gama de materiales estandarizados, o podrá encontrar detalladas propiedades específicas para materiales de sustrato más exóticos. Estas funcionalidades incrementan la productividad y le permiten adaptar su diseño a aplicaciones altamente específicas.

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