¿Debería usar FR4 grueso o delgado para su sustrato de PCB?

Si alguna vez has hecho un pastel con tus hijos, sabes que el grosor de tu masa es importante. Demasiado fino, y el pastel se desmorona en un desastre de relleno. Demasiado grueso, y podrías estar masticando un pan. Conseguir el grosor justo es lo que hace que un pastel valga la pena comer.

Aunque los materiales del sustrato de PCB son no conductivos y no transportan corriente, el grosor de tu sustrato de PCB FR4 determina la fuerza estructural de la placa, pero también afecta la integridad de la potencia y la señal. Tu trabajo como diseñador es combinar el conjunto adecuado de laminados para el apilado de modo que la placa tenga el grosor deseado, y no podrás alcanzar cualquier grosor que quieras en tu PCB. Si no estás seguro de qué grosor deberías usar en tu placa y cuán grueso o delgado puedes obtener, lee estas pautas sobre el grosor de FR4.

Consideraciones de Diseño de Grosor de FR4

El grosor estándar de las PCBs es de 1.57 mm. Algunos fabricantes pueden adaptarse a otros grosores específicos de 0.78 mm o 2.36 mm. Cuando decimos "grueso" o "delgado" FR4, generalmente lo comparamos con el grosor estándar de 1.57 mm. Mientras el proceso de tu fabricante pueda manejarlo, puedes elegir cualquier grosor que desees para tus PCBs combinando los grosores de núcleo y laminado prepreg disponibles en tu apilado de PCB.

Antes de comenzar a seleccionar laminados y diseñar tu apilado de capas, piensa en los siguientes aspectos de tu diseño que están relacionados con el grosor de la placa:

Factor de Forma

¿Tu PCB tiene un requisito estricto de factor de forma, o necesita encajar en una carcasa muy delgada? Algunos diseños requieren una placa más gruesa para soportar componentes más pesados, resistir entornos mecánicamente ásperos o encajar en sus soportes mecánicos (los backplanes de alta velocidad para sistemas embebidos militares y aeroespaciales son un ejemplo). Estas restricciones pueden limitar el grosor de tu placa a valores específicos.

Componentes y Conexiones de Borde

¿Tendrá el dispositivo algún componente que requiera que la placa de circuito impreso tenga un grosor específico de PCB? Componentes como conectores de borde y componentes pasantes más voluminosos como transformadores de alta corriente requieren que el apilado de PCB tenga el grosor correcto. Algunas hojas de datos de componentes y notas de aplicación pueden indicar un grosor mínimo de PCB para un componente específico por varias razones, y estos deben considerarse al diseñar el apilado de PCB.

Un ejemplo de componente donde esto es importante es un conector de borde SMA, que se muestra a continuación. En este conector, los radios superiores e inferiores en el cuerpo del conector están diseñados para acomodar PCBs de aproximadamente 60-70 mil de grosor. No puedes superar este valor si quieres usar este tipo específico de conector, en cuyo caso tendrías que usar un estilo de SMA montado en orificio. Puedes ir por debajo de este valor, pero entonces pierdes parte de la fuerza mecánica asociada con este estilo de conector de borde, que es uno de sus principales beneficios.

Los SMA son uno de los estilos de conectores de borde más conocidos, pero hay otros estilos que se montan en el borde como dispositivos de montaje superficial, o utilizan un corte fresado que permite el montaje a presión. Probablemente uno de los conectores más comunes en el mundo, los conectores USB, son un ejemplo principal del último tipo de conector que depende de un grosor específico de la PCB.

La imagen a continuación muestra una huella de PCB para un conector USB con sus agujeros fresados mostrados para el montaje. Estos agujeros están estandarizados y se mostrarán en el dibujo mecánico para un conector USB montado en el borde de una PCB. Las pestañas que encajan a través de estos agujeros ayudarán a mantener el componente en su lugar a lo largo del borde de la PCB.

El último tipo de conexión de montaje en borde que se puede utilizar en una PCB es con dedos de oro a lo largo del borde de la PCB. Estas placas se montarán en un conector de ranura que hace contacto con los dedos de oro a lo largo del borde de la placa, y estos conectores requieren que el grosor total de la placa esté dentro de un rango específico. La mayoría de los diseñadores estarán familiarizados con los dedos de oro a lo largo de módulos RAM, tarjetas PCIe, tarjetas hijas, unidades de estado sólido y conectores de ranura clave.

Impedancia de Trazas

La distancia entre una pista y su plano de referencia más cercano (en una capa adyacente) determina la impedancia de la pista, así como el nivel de pérdidas dieléctricas en placas multicapa. Optar por un grosor de capa más delgado requiere pistas más delgadas. Si deseas diseñar para un ancho de pista específico, como para acomodar un conector específico o un paquete de IC, entonces deberías considerar el grosor de capa requerido para soportar el ancho deseado.

Puede suceder que el grosor de capa que necesitas no termine cambiando el grosor de la placa, pero esto depende de los grosores de laminado de núcleo y prepreg disponibles. Es mejor consultar con tu casa de fabricación sobre qué laminados tienen disponibles y diseñar en torno a esos grosores de laminado, en lugar de establecer un grosor específico en tu diseño y esperar que ese grosor sea fabricable.

La salvedad a esto es si puedes acceder a un listado de productos del fabricante de laminados. Algunos productores de laminados proporcionarán una larga lista de sus núcleos y prepregs disponibles que incluyen valores de espesor. Siempre y cuando lo aclares con tu casa de fabricación, ciertamente puedes elegir y seleccionar de estas listas para proponer tu propio apilado. Solo asegúrate de que tu fabricante tenga en stock los materiales y cuente con las capacidades de procesamiento necesarias para apoyarte en este enfoque. Un ejemplo de lista que podrías encontrar de un vendedor de laminados se muestra a continuación; esta lista muestra una sección transversal de datos de núcleo y prepreg para materiales FR408 de Isola.

PCBs de alta velocidad/alta frecuencia

Si estás trabajando con un dispositivo de alta velocidad, FR4 no siempre es la mejor opción, y puede ser deseable algún otro material de baja pérdida. Si la longitud del enlace es corta, entonces las pérdidas estarán dominadas por la pérdida de retorno en el componente de carga, por lo que los laminados especializados de baja pérdida no son tan importantes. Para enlaces más largos, la pérdida total estará dominada por la pérdida de inserción, por lo que usar un laminado con la menor pérdida ayudará a maximizar la longitud del enlace.

Tener en cuenta estos puntos requiere considerar los mismos aspectos que en la impedancia de traza. El grosor de la capa es más importante que el grosor total de la placa, pero el grosor total de la placa aún será determinado por tu combinación de capas. Si planeas utilizar laminados gruesos o delgados, piensa en cómo el grosor de la capa afecta las pérdidas. Para microstrip de alta velocidad, una capa dieléctrica más gruesa confinará más líneas de campo en el sustrato, por lo tanto, las pérdidas serán mayores.

Expansión Térmica, Relación de Aspecto de los Vias y Fabricabilidad

El siguiente aspecto a considerar en cuanto al grosor de la placa es en términos de fabricabilidad y fiabilidad, específicamente en lo que respecta a la expansión térmica y los vias. Todos los materiales se expandirán al calentarse a temperaturas más altas, incluidos los vias en un PCB. En particular, esto es importante para los vias pasantes, que necesitan ser perforados completamente a través del conjunto de capas. Dependiendo del grosor de la placa y el tamaño del orificio, tienes dos compensaciones a considerar al dimensionar los vias:

• Las relaciones de aspecto más grandes pueden ser más difíciles de platear, y una placa más gruesa tendrá una mayor relación de aspecto para un tamaño de agujero dado
• Un tamaño de agujero más grande es más fácil de perforar y platear, incluso si la placa es más gruesa
• Si la placa es demasiado gruesa, podrías aumentar los costos en grandes volúmenes debido al desgaste de las herramientas
• El fabricante podría cambiar la fuerza de lanzamiento en el proceso de plateado por pulsos para adaptarse a una alta relación de aspecto

Las vías pasantes con altas relaciones de aspecto (10:1 o mayores) son susceptibles a fallar bajo ciclos térmicos cerca del centro del barril de la vía debido a la expansión térmica si no están correctamente plateadas. El fabricante que utilices debería tener experiencia trabajando con vías de alta relación de aspecto en su proceso de fabricación para asegurarte de que tendrás una PCB confiable que no falle bajo ciclos térmicos. Antes de enviar una placa gruesa, asegúrate de que tengan las capacidades para producir tus vías con suficiente plating en las paredes para prevenir fallas.

Obviamente, hay una serie de compensaciones de diseño que deben considerarse al seleccionar el grosor de la PCB de una placa FR4, el grosor estándar de las capas y el material laminado. Las herramientas CAD y las características de verificación de reglas en Altium Designer^® facilitan el diseño de su dispositivo alrededor del grosor estándar FR4. Para aprender más, hable hoy con un experto en Altium Designer.