Los materiales PCB-FR-4 no son todos iguales

En la industria de las PCB, “FR-4” es una denominación común para los materiales laminados. Hasta cierto punto, FR-4 como tipo específico de laminado es uno de los muchos mitos que se han extendido por toda la industria. Este blog aborda la historia del término FR-4, lo que realmente significa, las distintas propiedades asociadas a él, así como los aspectos característicos que deben tenerse en cuenta al seleccionar laminados específicos para un diseño.

Los orígenes de FR-4

Si se investiga el término FR-4, casi todas las fuentes lo definen como un laminado epoxi reforzado con fibra de vidrio. En esencia, la definición de Wikipedia es la siguiente:

FR-4 es una clasificación de la NEMA (National Electrical Manufacturers Association) para laminados epoxi reforzados con fibra de vidrio. FR-4 es un material compuesto formado por tejido de fibra de vidrio con un aglutinante de resina a base de epoxi que es retardante de llama (autoextinguible).

Esta definición de FR-4 está tan extendida en la industria que muchas personas involucradas en el desarrollo de productos PCB utilizan FR-4 de esta manera como designación de laminado.

La realidad es que FR-4 no es un material laminado, y nunca lo ha sido. Más bien, se trata de una clasificación UL que significa “clase 4 retardante de llama”. Si se retrocede lo suficiente en la historia de las PCB, solo había dos opciones de laminado: materiales basados en poliimida y materiales basados en epoxi. Si estaba desarrollando un producto para el sector aeroespacial, utilizaba poliimida porque el sistema de resina podía soportar temperaturas más altas. Sin embargo, esto conlleva muchas desventajas: es caro, difícil de fabricar y, encabezando la lista de problemas, absorbe humedad. Eso significa que una placa de circuito fabricada con poliimida debe someterse a horneado de secado y luego recubrirse con una capa protectora para evitar graves problemas de fuga.

El otro material “original” era el epoxi. El epoxi era más económico, más fácil de fabricar y estaba entre las resinas más utilizadas. Sin embargo, el material no puede soportar temperaturas elevadas. Por ello, se ablanda durante el proceso de soldadura y es propenso a deformarse. Además, el término “epoxi” no designa una única resina específica, sino una clase de laminados.

Sobre la base de estas dos opciones originales de laminado, FR-4 significaba básicamente “no poliimida”, pero en absoluto todas las PCB FR-4 son iguales. De hecho, es posible fabricar 50 placas de circuito diferentes que todas cumplan con la designación “FR-4”, pero que difieran en apariencia, rendimiento y su posición dentro del espectro de costos.

Incluso cuando la industria evolucionó más allá de los materiales puramente basados en epoxi, la designación FR-4 se mantuvo porque los sistemas de resina más nuevos no eran poliimida. Por ejemplo, para corregir las debilidades de los sistemas basados en epoxi, hoy existen varias mezclas epoxi con diferentes características de temperatura. Una de ellas se conoce como “High-Tg FR-4” y aborda los problemas del Tg bajo (temperatura de transición vítrea) asociados con las placas de circuito basadas en epoxi.

Lo que realmente importa

Además de las láminas de cobre y el refuerzo de vidrio tejido, los sistemas de resina están entre los componentes principales de los sistemas de materiales para placas de circuito. Y dentro del sistema de resina, una de las propiedades más importantes es el dieléctrico (aislante). La propiedad del dieléctrico que influye en la impedancia y en la velocidad de propagación es la constante dieléctrica relativa (er). Como se muestra en la tabla 1, esta propiedad varía tanto con el contenido de resina como con la frecuencia a la que se mide.

Tabla 1. Propiedades de un sistema laminado FR-4 Hi Tg típico

Cuando la gente usa “FR-4”, asume que existe una constante dieléctrica común para todos los materiales FR-4. En concreto, asumen que FR-4 significa que el material tiene un er de 4,7. Ese valor de er dejó de existir hace 30 años, pero esta suposición ha sido la causa de muchos errores de impedancia. La tabla 2 muestra los valores de er de laminados de uso frecuente, ninguno de los cuales está muy por encima de 4,0. Otra información crítica incluye el factor de pérdida Tan (f), la rigidez dieléctrica DBV y la absorción de agua WA.

Tabla 2. Propiedades de varios sistemas de materiales PCB comunes

• Tg = temperatura de transición vítrea
• WA = absorción de agua
• DBV = rigidez dieléctrica
• Tan (f) = factor de pérdida
• er = constante dieléctrica relativa

Todos los materiales contienen refuerzo de vidrio tejido excepto el teflón.

Especificar el mejor laminado para su diseño

Uno de los problemas que la industria sufrió durante años fue que, históricamente, las hojas de datos de los materiales no contenían suficiente información para que los desarrolladores de productos pudieran seleccionar laminados en función de los parámetros de rendimiento de sus diseños. Dentro de la amplia categoría “FR-4”, muchos materiales son simplemente “típicos”, sin datos lo bastante específicos como para garantizar que se seleccionara el laminado correcto para un diseño de producto concreto.

A medida que aumentó la complejidad de los diseños, la necesidad de una mayor precisión en la información sobre laminados creció exponencialmente. Por ejemplo, un problema frecuente en los últimos años ha sido la falta de información sobre los tipos de tejido de vidrio. La ausencia de esta información provocó graves problemas de jitter y skew. Afortunadamente, hoy los fabricantes de laminados proporcionan información sobre los tipos de tejido de vidrio, como se muestra en la tabla 3.

Tabla 3. Lista de los tipos de tejido de vidrio disponibles en laminados PCB

Las diferencias entre estos tipos de tejido para algunos materiales de ejemplo se muestran a continuación. Estos materiales de calidad FR4 cubren un amplio rango de constantes dieléctricas, lo cual es función del tipo de vidrio y del contenido de resina utilizados en el material laminado. Las aberturas en el tejido de vidrio son claramente visibles y, antes de que el vidrio extendido mecánicamente se generalizara, estas aberturas eran responsables de fuertes efectos de fiber weave. Los ejemplos de materiales que se muestran a continuación se refieren a prepregs de calidad FR4 en materiales disponibles comercialmente, pero las mismas imágenes también podrían utilizarse para materiales de núcleo.

Los materiales más recientes y las versiones mejoradas de materiales antiguos recurren cada vez más al vidrio extendido. Los tejidos de vidrio estándar conservan las aberturas que se muestran en la imagen anterior, lo que dio lugar al uso de patrones de enrutamiento en zigzag creativos para buses paralelos de alta velocidad y pares diferenciales.

Gracias al vidrio extendido, hoy esto es mucho menos necesario, siempre que el vidrio extendido se especifique en las notas de fabricación de un diseño. Un desarrollador también puede especificar un material disponible comercialmente que esté construido con vidrio extendido, y ese material debe indicarse en las notas de fabricación y en la tabla de stackup de los planos maestros.

No todos los proveedores de materiales PCB ofrecen el mismo nivel de información sobre los tejidos de vidrio específicos o sobre si el material contiene vidrio extendido. Por ejemplo, una determinada marca de un material puede incluir opciones de laminado con vidrio extendido o vidrio estándar, o el material puede estar disponible con ambos tipos de vidrio. La tabla 4 muestra un ejemplo de la información de laminado con tipo de vidrio y contenido de resina necesaria para diseñar un stackup.

La tabla siguiente muestra datos de contenido de resina, tipo de vidrio y constante dieléctrica para el sistema laminado FR408HR de Isola Group. Tenga en cuenta que esta tabla solo se aplica a núcleos, aunque también existe una tabla correspondiente para prepregs. Tenga en cuenta además que Isola, históricamente, ha puesto esta información a disposición del público de forma ejemplar o la ha proporcionado bajo solicitud.

Tabla 4. Información típica de laminado necesaria para desarrollar un stackup de PCB

Del prototipado a la producción

Como ocurre con otros aspectos críticos del diseño, es imprescindible que el equipo de ingeniería sea muy preciso al identificar un laminado concreto para un producto y que luego sea igual de cuidadoso para garantizar que se utilice ese mismo laminado durante todo el ciclo de fabricación del producto, desde el prototipado hasta la producción en serie. A veces, un fabricante de producción centrado en los costos sustituye un material por otro para ahorrar dinero al cliente. Una situación así ocurrió hace unos cinco años, cuando un fabricante de producción utilizó un material con vidrio monocapa más económico en lugar del material bicapa, adecuado para el diseño pero más costoso. Esto provocó fallos en las placas de circuito, y el fabricante tuvo que recomprar todas las placas ensambladas, cada una con componentes por un valor de 5.000 a 6.000 dólares estadounidenses.

De hecho, nuestra industria se ha acostumbrado a permitir que los fabricantes cambien el artwork, el stackup o el material, ya sea como parte de su rutina o como una forma de “ahorrar” dinero a sus clientes. Eso pudo haber tenido poco impacto cuando las velocidades de diseño eran bajas, pero ese margen de maniobra es imposible en los diseños de alta velocidad actuales. Por eso es importante incorporar estructuras de prueba en sus placas de circuito y asegurarse de que un “traveler” acompañe a cada placa a lo largo de la fabricación. Los desarrolladores de productos deben exigir este documento para poder rastrear qué materiales se han utilizado en sus placas durante todo el ciclo de desarrollo del producto.

Resumen

Aunque el uso de FR-4 como designación de laminado tiene una base histórica, eso no significa que lleve asociadas métricas de rendimiento. De hecho, el uso de materiales “FR-4” para un diseño concreto puede tener consecuencias graves, incluso hasta provocar fallos del producto. Para garantizar que su producto funcione como se espera desde el primer momento, debe incluir las propiedades críticas relacionadas con el rendimiento en la selección final del material. Igual de importante es especificar que se utilice el mismo laminado durante todo el ciclo de producción, desde el prototipo hasta la fabricación en serie.

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Referencia

1. Ritchey, Lee W. y Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volumes 1 and 2.”

Preguntas frecuentes

¿Qué significa realmente “FR-4” y por qué resulta engañoso usarlo como especificación de laminado?

FR-4 no es un material laminado específico; es una clasificación de inflamabilidad UL que significa “clase 4 retardante de llama”. Históricamente, cuando la selección se limitaba básicamente a sistemas de poliimida o epoxi, “FR-4” se convirtió en una abreviatura de “no poliimida”. Con el tiempo, muchos sistemas de resina diferentes basados en epoxi y mezclas de resinas —algunos con Tg alto y distintas propiedades eléctricas y térmicas— pasaron a denominarse “FR-4”. Por lo tanto, indicar únicamente “FR-4” no dice prácticamente nada sobre el rendimiento, el costo o la construcción, y dos placas de circuito designadas ambas como “FR-4” pueden comportarse de manera muy distinta.

¿Por qué no puedo simplemente asumir una única constante dieléctrica para FR-4, y qué problemas provoca eso?

La constante dieléctrica relativa (er) de los materiales de la clase FR-4 varía según el contenido de resina, el contenido de vidrio y la frecuencia de medición; desde hace décadas ya no es un valor uniforme de “4,7”. En la práctica, muchos materiales laminados de uso frecuente se sitúan alrededor de 4,0 o por debajo, y el valor exacto depende del material específico y de los detalles del apilado de capas. Suponer un valor fijo de er provoca errores en la impedancia y en el tiempo de propagación de la señal, especialmente en diseños de alta velocidad. Los desarrolladores deben utilizar datos específicos del material (er en función de la frecuencia, factor de pérdidas, contenidos de resina/vidrio) al crear apilados de capas y simulaciones, y tener en cuenta la dielectric constant of fr4 indicada para cada producto del fabricante.

¿Qué papel desempeñan los tipos de tejido de vidrio y cómo ayuda Spread Glass en los diseños de alta velocidad?

El refuerzo de fibra de vidrio tejida forma parte del dieléctrico, y su patrón de tejido genera variaciones locales en la proporción de vidrio y resina. Los tejidos estándar presentan aberturas visibles que pueden causar efectos del tejido de fibra, como skew diferencial y jitter, cuando las pistas de alta velocidad cruzan aleatoriamente zonas ricas en resina o en vidrio. Spread Glass reduce o elimina estas aberturas, hace que el dieléctrico sea más homogéneo y disminuye estos efectos. Para aprovecharlo, Spread Glass debe especificarse expresamente en las instrucciones de fabricación y señalarse como opción de material en el apilado de capas y en los planos maestros.

¿Qué información debo solicitar obligatoriamente al seleccionar un laminado dentro de la familia “FR-4”?

Vaya más allá de la denominación FR-4 y obtenga datos específicos del laminado, entre ellos: constante dieléctrica en función de la frecuencia, factor de pérdidas, contenido de resina, tipo(s) de tejido de vidrio, Tg (temperatura de transición vítrea), absorción de agua y rigidez dieléctrica. Asegúrese de que estos datos estén disponibles tanto para los núcleos como para los prepregs. Muchos proveedores publican hoy tablas detalladas (por ejemplo, tipo de vidrio y contenido de resina para cada opción de espesor); utilícelas para crear un apilado de capas predecible y controlar la integridad de la señal. En caso de duda, solicite la fr4 material datasheet para verificar estos parámetros.

¿Cómo me aseguro de que los prototipos y las placas de producción en serie se mantengan consistentes, y por qué es tan importante?

Especifique el material con precisión, incluido el tipo de tejido de vidrio, el contenido de resina y si se requiere Spread Glass, y haga cumplir estas especificaciones de forma coherente desde el prototipo hasta la producción en serie. No permita sustituciones “para ahorrar costes” sin la aprobación del equipo de desarrollo; cambios aparentemente pequeños (por ejemplo, tejido de vidrio de una sola capa en lugar de dos capas) pueden provocar fallos y costosos retrabajos. Integre estructuras de prueba en la placa de circuito impreso y exija un documento de trazabilidad que registre exactamente los materiales utilizados y el proceso seguido en cada fabricación. La consistencia es fundamental, ya que los diseños modernos de alta velocidad no dejan margen para cambios de material no controlados.