Materiales de construcción de las tarjetas electrónicas

November 13, 2019 Alfonso Blanco Fontao

Explicaré en este artículo qué diferentes tipos de materiales tenemos a nuestra disposición para la fabricación de tarjetas electrónicas, de qué están compuestos y cuáles son las razones por las cuales se consideran idóneos.

Elementos de construcción

Todo laminado se conforma de diferentes combinaciones de tres materiales distintos:

Sistema de refuerzo

Es el material que confiere a la tarjeta su estabilidad mecánica y estructural. Los más comúnmente usados son:

  • Fibra de vidrio: sin duda, el más habitual de los materiales de refuerzo. Su procesamiento industrial es muy sencillo y está ampliamente disponible. Además, se puede encontrar en diferentes espesores y composiciones químicas. El llamado tipo E es el más común de entre las fibras de vidrio.

 

Detalle de material de fibra de vidrio (Fuente)

 
  • Fieltro de vidrio: también llamado fibra de vidrio no tejida. Puede reducir problemas de skew derivados del desajuste en el entrelazado de la fibra de vidrio convencional en los ejes X e Y. Requiere el uso de resinas especiales.

  • Fibra de aramida: posee una propiedad muy particular que lo convierte en muy útil en algunos casos: tiene un coeficiente de expansión térmica (CTE) negativo en los ejes X e Y y puede ser utilizado, por tanto, para compensar el alto coeficiente de expansión térmica que presentan las resinas. De hecho, los laminados basados en fibra de aramida presentan CTEs muy similares a los de los materiales cerámicos. Como desventaja, su CTE en el eje Z es alto, lo cual puede llevar a pequeñas roturas en las fibras.

  • Papel de aramida: muy similar a la fibra, pero más fácilmente procesable. Siendo, además, un material orgánico, es muy apto para la realización de orificios con láser.

Lámina metálica

Es el material eléctricamente conductor donde se transfiere el patrón de pistas, pads, etc. correspondiente a cada capa. El material preferido es el cobre, debido a su bajo coste y a su fácil procesado. Los espesores de cobre más comunes son 17um (media onza), 35um (una onza) o 70um (dos onzas).

También es posible usar otros metales, aunque es poco habitual.

Sistema de resina

La viscosidad de las resinas es una propiedad ideal para rellenar los huecos libres del material de refuerzo y facilitar al mismo tiempo la adhesión entre el refuerzo y la lámina metálica.

Dependiendo de la densidad del tejido, será necesario un porcentaje más o menos alto de resina para rellenar los huecos. En la imagen vemos dos ejemplos (Fuente)

 

 

Existen muchos y diversos tipos de resinas, siendo los más usados:

  • Epoxies: ofrecen un conjunto de propiedades a nivel físico, eléctrico y de procesado que la hacen idóneas. Son, con diferencia, las resinas más empleadas.

  • Poliamida: ofrece las mejores propiedades térmicas. Es una resina muy utilizada en aplicaciones militares, puesto que permite reparaciones sin riesgo de daños por exceso de temperatura. Como es lógico, penaliza en coste.

  • Éster de cianato: es la segunda resina mejor, sólo después de la poliamida. Tiene, además, un coeficiente dieléctrico bajo, lo cual la hace apta para circuito de altas frecuencias.

  • Bismaleimida triacina (también llamada BT): es la resina preferida para la construcción de encapsulados BGA. Ofrece buenas propiedades térmicas a un coste razonable.

Combinando elementos de construcción

Tomando los tres elementos descritos más arriba y combinándolos entre sí, obtenemos nuestros “ladrillos” con los que podemos construir un apilado de nuestro gusto. Así tendríamos:

  • Laminado: unión de dos o más capas de cualquiera de los materiales descritos. El proceso de adhesión (laminación) es la base de fabricación de PCBs multicapa.

  • Núcleo: combinación de material de refuerzo impregnado en resina (que se somete a un proceso de curado por el cual se convierte en sólido) al que se añaden dos láminas de cobre (una a cada lado). Así tendríamos un PCB de 2 capas, pudiendo potencialmente añadir más capas mediante el proceso de laminación.

  • Prepreg: idéntico al núcleo (sin láminas de cobre), pero en una fase anterior de curado, con lo cual, presenta un estado blando.

Un buen ejemplo podría ser un apilado de 4 capas como el que se muestra a continuación:

Observamos cómo apilando núcleos, prepregs y láminas de cobre, logramos la estructura deseada

Vemos que la estructura central es un núcleo al que se añaden dos capas de prepreg y una lámina metálica en cada lado. El conjunto se lamina para que todos los materiales se adhieran y solidifiquen.
 

FR-4

Cualquier persona que tenga un mínimo interés en el diseño de circuito impreso habrá escuchado en algún momento el término FR-4.

Empecemos diciendo que hay mucha confusión entorno a este tipo de material. Continuemos recordando que FR son las siglas en inglés de Flame Retardant, es decir, material resistente a la propagación del fuego. FR-4 es, por tanto, un grado o nivel de resistencia al fuego. Cualquier material puede ser FR-4 si cumple los requisitos de la norma. De aquí se extrae como conclusión que no existe un FR-4 estándar, sino tantos como fabricantes hay.

FR-4, referido a PCBs, no es más que un material compuesto por un refuerzo de fibra de vidrio impregnado con una resina catalogada como Flame Retardant grado 4.

Así pues, dos materiales definidos como FR-4 pueden tener:

  • Distinto coeficiente dieléctrico.

  • Distinto porcentaje de resina.

  • Diferente tejido en ejes X e Y de la fibra de vidrio.

La misma fibra de vidrio usada para un FR-4 se emplea para fabricación de partes de automóviles, barcos, etc. La resina suele ser epoxy, muy común y fácil de conseguir. De ahí que sea un material de coste muy económico. Sucede, además, que tiene propiedades eléctricas muy aceptables.

Por todo lo anterior, es el material de largo más empleado.

Acerca del autor

Alfonso Blanco Fontao


Alfonso Blanco es Ingeniero Electrónico especializado en diseño de hardware y de PCBs.

Tras múltiples años de experiencia en la industria de la electrónica, Alfonso ejerce actualmente como especialista de diseño de PCBs en el Instituto Politécnico Federal de Zúrich donde, además, imparte una asignatura de iniciación al mundo del circuito impreso.

Alfonso posee la certificación CID+ otorgada por IPC.

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