Parámetros clave de las placas de circuito impreso

Explicación detallada de los principales parámetros de la placa de circuito impreso

1. Parámetros de rendimiento eléctrico

Las propiedades eléctricas de una placa de circuito impreso afectan directamente a la integridad de la señal, especialmente en circuitos de alta frecuencia y alta velocidad.

• Constante dieléctrica (Dk) - Mide la capacidad de un material para almacenar energía eléctrica. Los valores Dk más bajos (por ejemplo, PTFE con Dk≈2,2) permiten una transmisión más rápida de la señal, lo que los hace ideales para aplicaciones 5G y de ondas milimétricas.
• Factor de disipación (Df/Tangente de pérdida) - Indica pérdida de energía de la señal. Las aplicaciones de alta frecuencia (por ejemplo, radar, comunicación por satélite) requieren Df < 0,005.
• Resistividad superficie/volumen - La alta resistencia del aislamiento (>10¹² Ω-cm) evita las corrientes de fuga, cruciales para las placas de circuito impreso de alta tensión (por ejemplo, módulos de potencia).
• Tensión de ruptura - El FR4 estándar soporta ≥20 kV/mm, mientras que los sustratos cerámicos pueden soportar hasta 50 kV/mm.
• Control de la impedancia - Las placas de circuito impreso de alta velocidad (por ejemplo, DDR5, PCIe 6.0) requieren una tolerancia de impedancia ajustada (±5%) para minimizar las reflexiones de señal.

2. Parámetros de rendimiento térmico

La resistencia al calor de una placa de circuito impreso determina su fiabilidad en entornos de altas temperaturas, especialmente para la soldadura sin plomo y la estabilidad a largo plazo.

• Temperatura de transición vítrea (Tg) - El FR4 estándar tiene Tg≈130°C, mientras que los PCB de alta Tg (Tg≥170°C) se utilizan en electrónica militar y de automoción.
• Temperatura de descomposición térmica (Td) - Los materiales con Td > 325°C (por ejemplo, Isola 370HR) son preferibles para la soldadura sin plomo.
• Conductividad térmica - El FR4 tiene una conductividad térmica baja (~0,3 W/m-K), mientras que las placas de circuito impreso con núcleo metálico (por ejemplo, aluminio) pueden alcanzar los 10 W/m-K, lo que las hace ideales para la refrigeración de LED.
• Coeficiente de expansión térmica (CTE) - El CTE del eje Z debe ser <50 ppm/°C para evitar la delaminación en placas de circuito impreso multicapa (los sustratos de CI requieren un CTE≈6 ppm/°C).

3. Parámetros de rendimiento mecánico

La resistencia mecánica influye en los procesos de montaje y en la durabilidad a largo plazo.

• Resistencia a la flexión - El FR4 estándar oscila entre 400 y 600 MPa, mientras que los PCB flexibles (poliimida) requieren >200 MPa.
• Fuerza de exfoliación - La adherencia del cobre debe ser superior a 1,0 N/mm (norma IPC) para evitar el desprendimiento de la lámina durante la soldadura.
• Absorción de agua - La baja absorción de humedad (<0,2%) evita la formación de ampollas; los laminados de alta frecuencia suelen mantener <0,1%.

4. 4. Características estructurales

La precisión de fabricación es fundamental para interconexión de alta densidad (HDI) y diseños miniaturizados.

• Tolerancia del espesor del cobre - El cobre estándar de 1 onza tiene una tolerancia de ±10%, mientras que los circuitos de precisión requieren ±5%.
• Precisión de registro entre capas - Las placas de circuito impreso HDI exigen una alineación <25 μm, mientras que las placas multicapa estándar permiten <50 μm.
• Traza/espacio mínimo (L/S) - Los PCB estándar utilizan 0,1 mm/0,1 mm, mientras que los sustratos de CI avanzados alcanzan los 20 μm/20 μm.

5. Métricas de las pruebas de fiabilidad

Los PCB deben superar rigurosas pruebas para garantizar su estabilidad a largo plazo.

• Resistencia del filamento anódico conductor (CAF) - Evalúa los riesgos de cortocircuito en condiciones de humedad (85°C/85% HR durante 1000 horas).
• Resistencia de aislamiento superficial (SIR) - Debe superar los 10⁸ Ω (según las normas JIS).
• Ensayo de ciclos térmicos - Resiste 100 ciclos (de -55°C a 125°C) sin agrietarse (los PCB de automoción requieren pruebas más estrictas).

6. Cumplimiento medioambiental y de procesos

Las normativas medioambientales (por ejemplo, RoHS, REACH) impulsan los avances en materiales para PCB.

• Índice de Seguimiento Comparativo (ISC) - Los dispositivos médicos necesitan la Clase 3 (400-600 V), mientras que los controles industriales requieren la Clase 2.
• Sin halógenos - El contenido de cloro/bromo debe ser <900 ppm para reducir las emisiones tóxicas.
• Ignífugo (UL94) - V-0 es la clasificación más alta, obligatoria para aplicaciones aeroespaciales.

Clasificación y selección de placas de circuito impreso

1. Materiales comunes de PCB

• FR4 - Laminado epoxi-vidrio estándar para electrónica de consumo.
• CEM-3 - Sustrato compuesto, rentable para placas de circuito impreso sencillas de doble cara.
• PCB de alta Tg (Tg≥170°C) - Resistente al calor para uso automovilístico y militar.
• Laminados de alta frecuencia (por ejemplo, Rogers RO4003C) - Dk/Df bajo para aplicaciones 5G/radar.
• Placas de circuito impreso con núcleo metálico (Aluminio/Cobre) - Excelente gestión térmica para LED y módulos de potencia.

2. Comparación de los grados de material de los PCB

3. ¿Cómo elegir el material de PCB adecuado?

• Aplicaciones de alta frecuencia → Materiales de baja Dk/Df (Rogers, Taconic).
• Entornos de alta temperatura → Materiales de alta Tg (≥170°C) o alta Td (>325°C).
• Disipación de calor de alta potencia → Núcleo metálico o FR4 de alta conductividad térmica.
• Requisitos ecológicos → Materiales libres de halógenos y conformes con RoHS.

La selección de los parámetros de la placa de circuito impreso afecta directamente al rendimiento, la fiabilidad y el coste del producto. Los ingenieros deben seleccionar los materiales de placa adecuados (como FR4, CEM-3, PCB de alta Tg, etc.) en función de la aplicación (alta frecuencia, alta temperatura, alta potencia, etc.) y optimizar el diseño para mejorar la integridad de la señal, la capacidad de disipación térmica y la resistencia mecánica.