Todas las placas de circuito impreso multicapa se fabrican a partir de dos materiales fundamentales: el núcleo y el preimpregnado. Aunque rara vez son visibles en el producto acabado, desempeñan un papel fundamental a la hora de determinar el grosor de la placa, la separación entre capas, el control de la impedancia, la estabilidad mecánica y la fiabilidad de la fabricación.
Tanto si se trata de fabricar una placa sencilla de cuatro capas como una placa base compleja con un elevado número de capas, comprender cómo interactúan los materiales del núcleo y los preimpregnados es fundamental para el diseño del apilamiento y la fabricación de placas de circuito impreso.
Tabla de contenidos
¿Qué es el material del núcleo de una placa de circuito impreso?
El material del núcleo es un laminado totalmente curado con una lámina de cobre adherida a ambas caras.
Sirve como base estructural de una placa de circuito impreso multicapa y aporta rigidez durante su fabricación.
Un núcleo típico se compone de:
- Refuerzo de fibra de vidrio
- Sistema de resina
- Lámina de cobre en ambas superficies
La estructura es similar a la de los materiales laminados estándar que se describen en Explicación de los materiales laminados para placas de circuito impreso, salvo que la resina ya ha completado el proceso de curado.
Los materiales del núcleo están disponibles en una amplia gama de espesores para adaptarse a los distintos requisitos de apilado.
Funciones del material del núcleo
Las capas centrales proporcionan:
- Resistencia mecánica
- Aislamiento eléctrico
- Soporte de cobre
- Estabilidad dimensional
Sin núcleos, las placas multicapa no mantendrían su integridad estructural durante el laminado y el montaje.
¿Qué es el prepreg para placas de circuito impreso?
«Prepreg» es la abreviatura de «material preimpregnado».
Está compuesto por tela de fibra de vidrio impregnada con resina parcialmente curada.
A diferencia del material del núcleo, el preimpregnado permanece en un estado semicurado antes de la laminación.
Durante el proceso de laminación de los circuitos impresos, el calor y la presión hacen que la resina fluya y se endurezca por completo, uniendo entre sí las capas adyacentes.
Una capa de prepreg suele contener:
- Tela de fibra de vidrio
- Resina epoxi parcialmente curada
- Sin lámina de cobre
Su objetivo principal es crear adhesión entre las capas del núcleo.
Cómo funcionan conjuntamente el núcleo y el prepreg
Una placa de circuito impreso multicapa es, en esencia, una pila de capas de cobre separadas por núcleos y prepregs.
Por ejemplo, una estructura típica de cuatro capas podría tener el siguiente aspecto:
Cobre
Núcleo
Cobre
Preimpregnado
Cobre
Núcleo
CobreDurante el laminado:
- El prepreg se ablanda.
- La resina se cuela por los huecos.
- Las capas están unidas entre sí.
- La resina se endurece por completo.
- Se forma una única estructura rígida.
Este proceso permite crear la estructura de placas de circuito impreso multicapa que se utiliza en la electrónica moderna.
Materiales de los Estándares Comunes
Núcleo FR4 estándar
La mayoría de las placas de circuito impreso multicapa utilizan materiales de núcleo FR4.
Las ventajas incluyen:
- Bajo coste
- Buena resistencia mecánica
- Características de procesamiento estables
- Amplia disponibilidad
En el ámbito de la electrónica de uso general, el FR4 sigue siendo la opción más utilizada.
Los ingenieros que no estén familiarizados con las propiedades del FR4 pueden consultar Explicación del material FR4 para placas de circuito impreso para obtener más información.
Materiales para núcleos con alto contenido en TG
Las aplicaciones en las que se alcanzan temperaturas más elevadas suelen utilizar núcleos con un TG elevado.
Los beneficios incluyen:
- Mayor estabilidad térmica
- Reducción de la expansión en el eje Z
- Mayor fiabilidad durante el montaje sin plomo
Estos materiales suelen encontrarse en:
- Electrónica del automóvil
- Controles industriales
- Sistemas de conversión de energía
- Servidores
Tal y como se ha comentado en PCB de FR4 con alto valor de TG, unos valores más altos de TG pueden mejorar significativamente la fiabilidad a largo plazo.
Materiales para núcleos de alta velocidad
Los equipos de comunicación modernos suelen utilizar núcleos especializados de baja pérdida.
Algunos ejemplos son:
- Serie Megtron
- Materiales de alta velocidad Isola
- Laminados I-Speed
- Sistemas FR4 de baja pérdida
Estos materiales ayudan a mantener la integridad de la señal a altas velocidades de transmisión de datos.
Tipos habituales de preimpregnados
Los prepregs se clasifican generalmente según el tipo de fibra de vidrio y el contenido de resina.
Entre los estilos más habituales de fibra de vidrio se encuentran:
- 106
- 1080
- 2113
- 2116
- 7628
Cada modelo presenta un grosor y unas características de la resina diferentes.
Preimpregnado con bajo contenido en resina
Ofertas:
- Mejor control del espesor
- Flujo de resina reducido
- Mayor estabilidad dimensional
Se utiliza a menudo en placas de circuito impreso con un gran número de capas.
Preimpregnado con alto contenido en resina
Establece lo siguiente:
- Mayor capacidad de llenado
- Mejora de la adhesión
- Espaciado dieléctrico mejorado
Se suele utilizar cuando hay elementos de cobre de mayor tamaño.
Núcleos y prepregs en el control de la impedancia
Una de las funciones más importantes de los materiales de núcleo y preimpregnados es la gestión de la impedancia.
La impedancia de la señal depende de:
- Constante dieléctrica (Dk)
- Distancia entre capas
- Espesor del cobre
- Geometría de traza
El grosor del núcleo o del prepreg influye directamente en la distancia entre las capas de señal y los planos de referencia.
Incluso los cambios más pequeños pueden influir de manera significativa en los valores de impedancia controlada.
Por este motivo, el diseño de la pila y la selección de materiales deben coordinarse desde el inicio del proyecto.
Los futuros análisis sobre las propiedades dieléctricas se tratarán en Valores de Dk y Df en materiales de PCB.
Selección de materiales para placas de circuito impreso multicapa
A la hora de seleccionar los materiales para el núcleo y los prepreg, hay que tener en cuenta varios factores.
Rendimiento eléctrico
Las aplicaciones que implican señales de alta velocidad requieren propiedades dieléctricas estables.
Requisitos térmicos
Las temperaturas de funcionamiento más elevadas pueden requerir sistemas con un TG elevado.
Espesor del tablero
Las combinaciones de núcleo y prepreg determinan el grosor final de la placa de circuito impreso.
Capacidad de fabricación
Algunos materiales requieren perfiles de laminación especializados y controles de procesamiento específicos.
Consideraciones económicas
La selección de materiales debe ajustarse a los requisitos de rendimiento, en lugar de optar por las especificaciones más exigentes disponibles.
Problemas habituales durante el laminado
Una selección inadecuada de los materiales puede dar lugar a diversos problemas de fabricación.
Falta de resina
Un flujo insuficiente de resina puede provocar huecos o una adhesión deficiente.
Flujo excesivo de resina
Un movimiento excesivo de la resina puede alterar la distancia dieléctrica y afectar a la impedancia.
Delaminación
Una compatibilidad deficiente entre los materiales puede provocar la separación de las capas durante los ciclos térmicos.
Variación del espesor
Una selección incorrecta del prepreg puede dar lugar a un espesor irregular de la placa acabada.
Los fabricantes de placas de circuito impreso con experiencia evalúan estos factores durante el desarrollo de la estructura de la placa para minimizar los riesgos de producción.
Por qué es importante la compatibilidad de los materiales
Los materiales del núcleo y los prepreg suelen proceder del mismo fabricante de laminados.
La combinación adecuada de los sistemas de materiales contribuye a garantizar:
- Expansión térmica uniforme
- Unión fiable
- Rendimiento dieléctrico estable
- Mejora del rendimiento de la producción
El uso de materiales incompatibles puede plantear problemas de fiabilidad a lo largo de la vida útil del producto.
Preguntas más frecuentes
R: El material del núcleo está totalmente curado y contiene una lámina de cobre por ambas caras. El prepreg está parcialmente curado y actúa como capa de unión durante el laminado.
R: Sí. El grosor del prepreg y sus propiedades dieléctricas influyen directamente en los valores de impedancia y en el rendimiento de la señal.
R: Sí. En muchas estructuras multicapa se utilizan distintos tipos de prepreg para cumplir con requisitos específicos de espesor y propiedades eléctricas.
R: Un flujo adecuado de la resina garantiza una adhesión completa entre las capas y ayuda a evitar la formación de huecos o la delaminación.
R: Sí. El prepreg es esencial para unir las capas del núcleo entre sí durante el proceso de laminación.