Material de PCB
Printed circuit boards (PCBs) form the foundation of modern electronics, from smartphones to aerospace systems. While components on them receive attention, the PCB material itself critically determine system performance, reliability, and longevity. Selection of the PCB material has a direct effect on signal integrity and thermal management, as well as the durability. Poor selections can result in signal degradation, thermal failures and even breakdowns. This is the reason why good knowledge in PCB materials is the key in successful electronic design. This guide will explain PCB material construction, common types of PCB materials, their key properties, and selection criteria, to ensure that you make effective decisions to maximize the performance of the PCB while managing the cost.
Construcción del material de PCB: comprensión de las capas principales
Una PCB consta de varias capas importantes con diferentes materiales. Conocer cómo funcionan e interactúan estas capas puede ayudarle a seleccionar el material de PCB adecuado para cumplir con sus especificaciones de rendimiento, durabilidad y coste:
- Sustrato: es la capa base, que suele estar fabricada con materiales como FR-4, poliimida o cerámica. Se utiliza para proporcionar soporte mecánico, así como aislamiento eléctrico.
- Capa de cobre: es una fina lámina de cobre sobre una PCB que proporciona las vías conductoras eléctricas, las pistas y los planos para transportar la corriente y transferir las señales entre los componentes electrónicos.
- Máscara de soldadura: esta capa es un revestimiento protector que cubre las trazas de cobre para evitar la oxidación y los puentes de soldadura durante el montaje.
- Serigrafía: impresa en la capa superior (y ocasionalmente en la inferior), la serigrafía proporciona etiquetas, logotipos y marcas de los componentes para facilitar el montaje y la resolución de problemas.
7 tipos comunes de material de PCB
Hay muchos tipos de materiales de PCB en el mercado entre los que elegir, y aquí nos centraremos en algunos de los más utilizados:
- FR4
El FR4 es uno de los materiales para sustratos de PCB más utilizados, y está compuesto por tela de fibra de vidrio tejida unida con resina epoxi resistente al fuego. FR es la abreviatura de «flame retardant» (retardante de llama), y 4 es el grado o tipo de material retardante de llama.
Se trata de un material de PCB relativamente barato con buena resistencia mecánica, inflamabilidad autoextinguible y baja absorción de agua. Su temperatura de transición vítrea (Tg) oscila entre 130 °C y 180 °C, lo que lo hace adecuado para su uso en la mayoría de las aplicaciones.
- Poliimida
La poliimida es un material de PCB muy estable térmicamente y tiene una Tg alta (aproximadamente 250-260 °C), además de ofrecer unas características eléctricas superiores. Sin embargo, en comparación con el FR4, absorbe mucha más humedad y debe hornearse antes del montaje. Este material tiene flexibilidad mecánica y se utiliza habitualmente en la mayoría de las placas de circuito impreso flexibles y rígido-flexibles.
- Rogers
Rogers es una marca líder de laminados para PCB de alto rendimiento, que se utiliza principalmente en aplicaciones de RF, microondas y digitales de alta velocidad. Este tipo de material de PCB tiene un buen rendimiento en amplias frecuencias y es conocido por sus constantes dieléctricas estables y su baja pérdida. Los sustratos Rogers están disponibles en diferentes formulaciones y, aunque son más caros que las alternativas FR-4, algunos de ellos son compatibles con los procesos estándar de PCB (por ejemplo, la serie RO4000).
- PTFE (Teflón)
El PTFE (Teflón) es un material de PCB de baja pérdida y bajo Dk, adecuado para PCB de alta frecuencia y microondas, como antenas 5G y amplificadores de RF. Es resistente al calor hasta 250 °C y a los productos químicos, pero es tan blando que necesita rellenos para ganar resistencia. El PTFE también es caro y difícil de procesar, ya que requiere un tratamiento superficial especial y procesos de perforación para fabricar placas PCB fiables.
- Cerámica
Los materiales de PCB cerámicos, como la alúmina y el nitruro de aluminio, se caracterizan por su alta conductividad térmica, su excelente aislamiento eléctrico y su baja expansión térmica. Son caros y su diseño es complejo, pero son muy adecuados para la iluminación LED, la potencia RF, la industria aeroespacial y la electrónica militar, donde la disipación del calor y la robustez mecánica son fundamentales.
- Metal
Las placas de circuito con núcleo metálico suelen utilizar aluminio o cobre como materiales de sustrato de PCB, ya que proporcionan una gran disipación del calor y resistencia mecánica. Por lo tanto, estos materiales son adecuados para aplicaciones de alta potencia, como la iluminación LED y los convertidores de potencia. Aunque no son adecuados para multicapa complejas, funcionan bien en la gestión térmica, donde el FR-4 no es eficaz.
- CEM
Los materiales compuestos epoxi (CEM-1, CEM-3) son materiales de sustrato para PCB de bajo coste, que consisten en papel o fibra de vidrio reforzada con resina epoxi o fenólica. Aunque no son tan eficaces como el FR-4, que tiene una mayor constante dieléctrica y absorción de humedad, son una opción asequible para placas simples de una sola cara y productos electrónicos de consumo básicos.
Propiedades de los materiales de los PCB: parámetros críticos de rendimiento
Para elegir el sustrato del PCB, es importante conocer las principales características del material de PCB, ya que afectan directamente al rendimiento:
Constante dieléctrica (DK): es un parámetro que mide la capacidad de un material para almacenar energía eléctrica. Los valores bajos de DK ayudan a conducir las señales rápidamente y minimizan la diafonía, lo que los convierte en la opción ideal para aplicaciones de alta frecuencia que requieren una sincronización de alta precisión.
Factor de disipación (Df): cuantifica las pérdidas dieléctricas cuando la energía eléctrica se convierte en calor. Unos valores Df más bajos significan una mejor integridad de la señal, ya que proporcionan una pérdida de potencia mínima, lo cual es fundamental para los circuitos digitales y de RF de alta velocidad.
Conductividad térmica (k): esta propiedad se utiliza para definir la eficacia de la transferencia de calor a través del material.
Cuanto mayor sea el valor, mejor será la disipación del calor. Esto ayuda a evitar daños térmicos y a mantener un rendimiento constante en aplicaciones de potencia.
Temperatura de transición vítrea (Tg): Se refiere a la temperatura a la que los materiales pasan de un estado rígido a uno blando. Los valores más altos de Tg indican estabilidad dimensional durante las operaciones de soldadura, incluso a temperaturas más altas, sin deformaciones ni delaminaciones.
Coeficiente de expansión térmica (CTE): Mide el cambio dimensional con las variaciones de temperatura. Un CTE más bajo produce menos tensión en las juntas de soldadura y en las conexiones de los componentes, lo que mejora la fiabilidad en ciclos térmicos en condiciones extremas.
Absorción de humedad: Este parámetro muestra la cantidad de agua que un material absorbe de las condiciones ambientales. Una absorción reducida evita los cambios dimensionales y la degradación eléctrica de las propiedades, así como la delaminación durante el proceso de fabricación y el funcionamiento.
Tabla comparativa de materiales de PCB
| Material | Dk (1GHz) | Df (1GHz) | Tg(°C) | Conductividad térmica (W/m·K) |
| FR4 | 4.2–4.7 | 0.015–0.025 | 130–180 | 0.25–0.3 |
| Poliamida | 3.9–4.3 | 0.004–0.02 | 200–260 | 0.2–0.4 |
| Rogers | 3.0–3.5 | 0.003–0.004 | >280 | 0.62–1.0 |
| PTFE (Teflón) | 2.1–2.6 | 0.0005–0.002 | >260 | 0.25–0.5 |
| Cerámico | 6–10 | ≤0.001–0.002 | >800 | 20–180 |
| Metal | 4.0–7.0 | 0.02–0.04 | ~130–180 | 1.0–5.0 |
| CEM-1 / CEM-3 | 4.5–5.0 | 0.03–0.05 | 110–130 | 0.2–0.3 |
Factores a tener en cuenta al seleccionar los materiales para placas PCB
A la hora de elegir el material de PCB adecuado, hay que tener en cuenta muchos factores que influyen directamente en el rendimiento, la fabricabilidad y el coste del producto. Los aspectos principales a considerar son los siguientes:
Resistencia mecánica: los materiales de las placas PCB deben soportar fuerzas físicas durante la producción y el funcionamiento. Los factores a tener en cuenta son la flexibilidad o rigidez, la resistencia a la tracción y el número de capas. Las propiedades mecánicas adecuadas garantizan la fiabilidad y la larga vida útil en aplicaciones exigentes.
Integridad de la señal eléctrica: es una preocupación fundamental cuando se transmiten datos a alta velocidad. Una mala gestión de la integridad de la señal puede dar lugar a efectos indeseables, como diafonía, pérdida de señal e interferencias electromagnéticas (EMI). La selección de un material para PCB que proporcione una buena integridad de la señal hará que las señales sean claras y precisas, lo que minimiza las posibilidades de pérdida de datos y errores de comunicación.
Coste de los materiales: El FR-4 es económico, mientras que la poliimida y el PTFE son caros, aunque tienen un rendimiento excelente. Hay que tener en cuenta el coste total de propiedad a largo plazo: los costes adicionales de material iniciales pueden compensarse con una mayor fiabilidad, menores costes de mantenimiento y un mejor rendimiento en aplicaciones exigentes.
Proceso de fabricación: al seleccionar los materiales para PCB, también debemos tener en cuenta su facilidad de fabricación. Por ejemplo, el FR-4 es fácil de manejar y tiene una amplia disponibilidad, mientras que los materiales especializados suelen requerir procedimientos especiales. El uso del material adecuado permite una producción eficiente, un control de los costes y el mantenimiento de la calidad.
Normativa y estándares del sector: los materiales para PCB deben cumplir con los estándares clave, como IPC y RoHS, que regulan la calidad, las cuestiones medioambientales y la seguridad.
Estos requisitos dependen de la industria y la región, y se requieren certificaciones específicas para entrar en el mercado. Es fundamental seleccionar materiales que cumplan con las normas de los mercados objetivo.
Aplicaciones previstas: Las exigencias de las aplicaciones son factores importantes en la selección del material. La electrónica de consumo utiliza FR-4, que es rentable, la industria automotriz quiere poliimida de alta fiabilidad para la estabilidad térmica y la industria aeroespacial necesita PTFE debido a su temperatura de servicio extrema y su baja pérdida.
Servicios profesionales de selección de material de PCB
La elección del material de PCB es importante para el éxito del proyecto, ya que una selección incorrecta puede dar lugar a un rendimiento ineficiente, costosos rediseños y retrasos.
Gracias a su amplia experiencia con diversos materiales, nuestro equipo de ingenieros puede ofrecer asesoramiento especializado sobre la selección de materiales, el diseño de apilamiento y la optimización de la fabricabilidad. Hable hoy mismo con nuestros profesionales de ingeniería y le recomendarán el material más adecuado.
Contáctanos
¿Tienes alguna pregunta o consulta? Completa el formulario y nos pondremos en contacto contigo pronto.
