Selección de Alternativas a FR4 de Materiales de Sustrato para Placas Multicapa

A veces, vale la pena ir contra la corriente. Los sustratos FR4 son, con mucho, la opción más popular que encontrarás entre los fabricantes, y cada fabricante tiene su proveedor preferido. Sin embargo, podrías querer explorar materiales alternativos para sustratos de PCB para una placa multicapa. Aunque hay múltiples fabricantes de materiales laminados para PCB, la amplia clase de sustratos disponibles es algo limitada.

Si necesitas construir un dispositivo especializado para entornos extremos, ciclos térmicos repetidos o dispositivos de alta velocidad/RF, hay materiales alternativos para sustratos de PCB multicapa que podrían ser una mejor opción. Mostraré algunos ejemplos en este artículo, aunque haré lo posible por ser agnóstico en cuanto a proveedores. Lo más importante es entender los criterios para seleccionar una alternativa a un sustrato FR4, y proporcionaré los criterios que son importantes para varias aplicaciones.

No Tienes Que Conformarte Con Un Sustrato FR4

Lo que llamamos "FR4" es en realidad una designación de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) para una clase de materiales; no es un material específico ni siquiera una composición material específica. Estos laminados de PCB cumplen con la norma UL94V-0 sobre la inflamabilidad de los materiales plásticos.

Desventajas de FR4

Aunque el FR4 es, con mucho, el material de sustrato más popular para PCBs de una y múltiples capas, tiene sus inconvenientes:

• Baja conductividad térmica: Al igual que otros aislantes eléctricos, el FR4 también es un mal conductor térmico en comparación con otros materiales que son adecuados para soportar circuitos impresos.
• Medianamente pérdida: Los laminados de sustrato FR4 son conocidos por su característica de pérdida, dada por su tangente de pérdida de ~0.02 a aproximadamente 1 GHz. El trazado de líneas de transmisión o una guía de onda integrada en el sustrato asegurará una alta aislación de otras señales, pero a expensas de una mayor atenuación ya que la señal ve la tangente de pérdida completa.
• Efectos de la trama de fibra: A varios 10's de GHz, la trama de vidrio utilizada en los laminados FR4 crea efectos interesantes como el sesgo acumulado y las pérdidas resonantes a lo largo del camino de propagación de la señal.
• Desajuste con el CTE del cobre: El valor del coeficiente de expansión térmica (CTE) en el eje z de la mayoría de los laminados FR4 tiene un gran desajuste con el cobre (típicamente FR4:Cu = ~3:1). Esto solo es un problema mayor bajo ciclos térmicos repetidos o excursiones de temperatura extremas por encima de la temperatura de transición vítrea.

Para diseños simples que funcionan a baja velocidad/baja frecuencia, y que no se calentarán demasiado ni estarán en un ambiente extremo, probablemente estos inconvenientes no importarán. Para diseños más modernos, es importante al menos considerar alternativas al FR4. Antes de comenzar a diseñar con un material de sustrato de PCB alternativo, hable con algunos fabricantes para ver con qué materiales pueden trabajar en su proceso y para ver qué espesores de capa recomiendan en sus apilamientos. Ellos le enviarán una tabla de apilamiento de PCB como la que se muestra en la imagen a continuación.

Demanda Térmica y Fiabilidad

Dada la demanda térmica en los PCBs modernos que operan a alta velocidad y/o alta frecuencia, y dadas las condiciones ambientales severas en las que estos sistemas se están desplegando, podría tener sentido usar un material diferente para su próximo PCB. Tiene algunas opciones para materiales de sustrato, o algunas alternativas de diseño para intentar y lidiar con el alto calor en algunas aplicaciones.

Usar una placa con mayor conductividad térmica permite que el calor se disperse fácilmente a través de la placa, permitiendo que su placa opere a una temperatura más uniforme. Las placas FR4 con dispositivos de alta velocidad/frecuencia pueden desarrollar puntos calientes alrededor de los procesadores de alta velocidad más grandes (por ejemplo, FPGAs o MPUs). La conductividad térmica general de la placa puede aumentarse utilizando algún material alternativo o usando capas de plano adicionales. En estas placas, de todos modos deberías estar usando disipadores de calor en componentes importantes, o posiblemente un ventilador para algún flujo de aire. Otra opción es usar un material de interfaz térmica para unir la placa a su carcasa, proporcionando un camino para el calor directamente de vuelta a la carcasa.

Ejemplos de Material de Sustrato de PCB Multicapa Alternativo

En esta sección, quiero presentar algunas opciones alternativas que algunos diseñadores pueden no haber considerado. Estos materiales alternativos apuntan a una desventaja específica vista en los sustratos FR4. Es importante notar que no hay un único material de sustrato de PCB alternativo que supere cada desventaja de los laminados FR4. En cambio, necesitas elegir la desventaja específica que importa para tu sistema. Algunos ejemplos se encuentran en la siguiente tabla:

Placas con núcleo de metal o respaldadas por metal

La gestión térmica en las placas FR4 puede complementarse utilizando una placa con núcleo de metal o respaldada por metal. La gran placa de aluminio utilizada en estas placas permite que el calor se disipe a lo largo de la placa y hacia un recinto o carcasa, asegurando una distribución de temperatura más uniforme. Esto es útil en una serie de aplicaciones, como placas para iluminación LED o reguladores de alta potencia en entornos únicos.

Cerámicas

Los materiales alternativos para sustratos de PCB multicapa ofrecen otras ventajas además de la gestión térmica. Como ejemplo, el proceso de fabricación para PCBs cerámicas permite que los componentes pasivos se incrusten en las capas internas de una PCB cerámica multicapa. La mezcla de materiales requerida para crear una placa cerámica permite que sus propiedades mecánicas se ajusten mientras se mantiene una alta relación de conductividad térmica a eléctrica. El coeficiente de expansión térmica de las cerámicas para PCBs está más cerca del de la mayoría de los conductores, lo que reduce el estrés mecánico durante el ciclado.

Material Compuesto de Epoxi (CEM)

Un grupo alternativo de materiales muy popular, especialmente en Asia, es el material compuesto de epoxi (CEM), específicamente el CEM-3. Esta clase de materiales compuestos está hecha de superficies de tela de vidrio tejido y un núcleo de vidrio no tejido combinado con una resina sintética de epoxi. Algunos fabricantes abogan por que el CEM-3 debería reemplazar completamente al FR4 ya que es más barato de producir, proporciona el mismo nivel de resistencia a la llama y es utilizable con los mismos procesos de fabricación que el FR4.

La temperatura de transición vítrea del CEM-3 (aproximadamente 125 °C) es similar a la del FR4 (aproximadamente 135 °C). Otros materiales basados en CEM, por ejemplo, CEM-1 y CEM-2, tienen temperaturas de transición vítrea mucho más bajas y no deberían usarse con placas de múltiples capas. La mayoría de los fabricantes solo recomendarán usar CEM-3 para un número bajo de capas, aunque se está utilizando para reemplazar placas FR4 con un número similar de capas.

Laminados de Alta Frecuencia

Un material laminado de PCB que se clasifica como "alta frecuencia" podría referirse a su utilidad en dos áreas importantes:

• Bajo factor de pérdida a altas frecuencias, normalmente ~0.003 o menos a ~10 GHz o más
• Efectos de la trama de fibra, aunque estos laminados pueden tener el mismo factor de pérdida que los materiales FR4 típicos

Materiales que satisfacen ambos criterios a menudo se utilizan en aplicaciones como módulos de radar operando a 24 GHz (corto alcance), 76-77 GHz (largo alcance), o 77-81 GHz (corto alcance). Otras aplicaciones especializadas son radar de imagen, radar para drones, MANs inalámbricas, detección remota, SATCOM, detección remota y mucho más. En el ámbito digital, se necesitan materiales alternativos para sustratos de PCB para altas frecuencias para permitir longitudes de canal muy largas, como en backplanes o placas base de servidores. Por ejemplo, grandes backplanes de 3U/6U pueden tener longitudes de canal de alta velocidad que alcanzan las 20 pulgadas con anchos de banda que superan las frecuencias de radar. Si diseñáramos esta placa en FR4, nunca recuperarías la señal de un canal tan largo.

Probablemente los dos materiales de sustrato de PCB de alta frecuencia más populares son los laminados basados en PTFE (Teflón) con relleno de microvidrio (por ejemplo, Rogers) y Megtron. En dispositivos que operarán a alta frecuencia, utilizar uno de estos materiales laminados para PCB de alta frecuencia puede ser la mejor elección si tus canales de enrutamiento serán muy largos. En canales cortos, la pérdida de retorno será el mecanismo de pérdida dominante

Construcción Híbrida con PTFE

Los laminados de alta velocidad/alta frecuencia a menudo se utilizan en la capa exterior de PCBs de alta velocidad/alta frecuencia para reducir la atenuación de la señal. Los laminados basados en PTFE normalmente se colocan encima de un núcleo interno en dispositivos de alta velocidad, permitiendo naturalmente su uso con PCBs multicapa. Comparado con FR4, el Teflón se recomienda para frecuencias de GHz y superiores y tasas de transferencia de datos debido a su mucha menor dispersión y menor constante dieléctrica, lo que lleva a una velocidad de propagación de la señal más rápida a estas altas velocidades.

El PTFE también ofrece otras ventajas. Es un pobre absorbente de agua, por lo que es útil en ambientes húmedos o mojados. Puede ser utilizado como una capa superficial o capa laminada interior con una serie de materiales, por lo tanto, puede ser usado para formar una capa de baja pérdida específicamente para señales de alta velocidad/alta frecuencia. Sin embargo, es más caro que el FR4 y es más desafiante trabajar con él en la construcción de apilados ya que requiere prensado a ~370 °C. También tiene una conductividad térmica menor que el FR4, por lo que la gestión térmica en las placas de PTFE es importante.

Materiales Laminados para PCB de Alta Densidad

Hay una variedad de otros materiales que pueden ser utilizados para alta velocidad, alta temperatura y placas multicapa HDI. Los conjuntos de materiales estándar que caen en el dominio de materiales basados en FR4 o PTFE solo pueden ser fabricados hasta cierto grosor mínimo y deben ser perforados mecánicamente. Estos materiales pueden ser utilizados en PCBs HDI con vías ciegas/enterradas perforadas mecánicamente, pero pueden no ser utilizables con microvías. Se necesitan materiales alternativos para PCBs HDI y PCBs/substratos de IC UHDI más avanzados; estas alternativas deben ser compatibles con el grabado o la deposición aditiva, y la perforación láser.

Laminados Perforables por Láser

Los prepregs y núcleos que se van a utilizar en diseños HDI con microvías deben ser compatibles con la perforación láser. La mezcla de resina, el estilo de tejido de vidrio y el grosor de capa de estos materiales están formulados específicamente para el proceso de perforación láser. Esto permite la fabricación de vías de pequeño diámetro (<6 mil de diámetro), y dado los límites de la relación de aspecto permitidos para estas estructuras, se requiere una capa dieléctrica delgada. Los fabricantes de materiales comercializarán sus materiales específicamente para su uso en procesos de perforación láser si los materiales son compatibles.

Los laminados perforables por láser abarcan una gama de marcas y formulaciones de materiales disponibles comercialmente, algunos de los cuales se especifican en hojas de corte y cumplen con las normas IPC. Incluyen materiales de resina reforzada con vidrio que se ajustan a la definición de FR4, y estos materiales están disponibles de muchos fabricantes populares (por ejemplo, Isola e ITEQ). Hay otros materiales que son perforables por láser pero no entran en la definición de FR4:

• Películas basadas en resina recubiertas de cobre (RCC)
• Poliamida
• Poliamida reforzada con fibra (también conocida como aramida)
• Resina de Bismaleimida-Triazina, también conocida como epoxi BT

Algunos de estos materiales son útiles tanto en PCBs como en sustratos de alta densidad para chips semiconductores o chiplets. Por ejemplo, RCC es una opción común para su uso en ambas áreas como un sistema de material para construcciones de alta densidad que involucran múltiples sub-laminaciones.

Películas de Acumulación

El término "película de acumulación" a veces se usa en lugar de laminado perforable por láser que se encontraría en PCB HDI. Estas películas se empaquetan como rollos de película que luego se laminan sobre los materiales base de PCB. La película de acumulación más común es Ajinomoto Buildup Film (ABF), aunque su uso más común es en la producción de sustratos semiconductores en lugar de como material de PCB. Actualmente, ABF domina la cadena de suministro para sustratos de IC semiconductores, pero se puede usar en PCBs HDI/UHDI. ABF también tiene una constante dieléctrica razonablemente baja (hasta Dk = 3.3) y pérdidas menores que FR4, lo que lo hace útil para ASICs o procesadores que requieren canales de alta banda ancha. Un sustituto muy cercano para diseños de menor densidad (grabado sustractivo) es RCC, que utiliza resinas orgánicas recubiertas con lámina de cobre.

Esta película puede construirse sobre un núcleo FR4, núcleo de epoxi BT, núcleo de resina termoestable u otros núcleos orgánicos rígidos. Esto sigue la construcción estándar de apilamiento HDI con vías ciegas/enterradas apiladas (tipo II), pero escalado a densidades más altas y a menudo fabricado con un proceso aditivo.

Mirando hacia el futuro

A medida que los chips más avanzados demandan opciones de película de construcción ultrafinas y de bajo Dk para PCBs UHDI y empaquetado de semiconductores, se espera que el ABF vea un mayor uso dentro y fuera de la industria de semiconductores. Sin embargo, debido al dominio del mercado de ABF en películas de construcción, las empresas innovadoras están buscando la película de construcción del futuro. Estas alternativas a FR4 para el procesamiento de capas externas también están destinadas a tener un Dk

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