¿Qué es un sustrato de PCB?
El sustrato PCB es el material fundamental utilizado en la fabricación de placas de circuito impreso (PCB). Normalmente, el sustrato es un laminado revestido de cobre (CCL), que se procesa selectivamente con técnicas como taladrado, recubrimiento químico de cobre, galvanoplastia y grabado para obtener el patrón de circuito deseado para PCB de una o dos caras. El sustrato cumple las funciones de conductividad, aislamiento y soporte. El rendimiento, la calidad, el procesamiento durante la fabricación, el coste de fabricación y el nivel de fabricación de las PCB dependen en gran medida del material del sustrato.
Historia del desarrollo de los sustratos de PCB
La tecnología y la producción de materiales de sustrato han experimentado medio siglo de desarrollo, con una producción anual mundial que alcanza los 290 millones de metros cuadrados, impulsada por los avances innovadores en productos electrónicos, tecnología de fabricación de semiconductores, tecnología de montaje electrónico y tecnología de PCB.
Desde el uso práctico de placas laminadas revestidas de cobre fabricadas con sustratos a base de resina fenólica en 1943, el desarrollo de los materiales de sustrato ha sido muy rápido.
En 1959, Texas Instruments produjo el primer circuito integrado, lo que aumentó la necesidad de un montaje de mayor densidad de las PCB, lo que impulsó la creación de placas multicapa.
En 1961, Hazeltine Corporation, en Estados Unidos, desarrolló con éxito la tecnología de placas multicapa utilizando el proceso de metalización de orificios pasantes.
En 1977, la resina BT alcanzó la producción industrial, proporcionando un nuevo tipo de material de sustrato con Tg alta y baja para el desarrollo de placas multicapa en todo el mundo.
En 1990, IBM en Japón anunció una nueva tecnología para placas multicapa utilizando un método de apilamiento de capas con resina fotosensible como capa aislante.
En 1997, la tecnología de placas multicapa de interconexión de alta densidad, incluidas las placas multicapa apiladas por capas, entró en una fase de desarrollo madura. Mientras tanto, los sustratos de embalaje de plástico, representados por BGA y CSP, han experimentado un rápido desarrollo. A finales de la década de 1990, surgieron rápidamente y entraron en el mercado nuevos tipos de sustratos, como los sustratos ignífugos ecológicos sin bromo ni antimonio.
Diferentes tipos de materiales para sustratos de PCB
Las placas de circuito impreso se pueden clasificar generalmente en dos categorías según los materiales del sustrato: materiales de sustrato rígidos y materiales de sustrato flexibles. La variedad más importante de materiales de sustrato rígidos es el laminado revestido de cobre (CCL), que se fabrica reforzando el material sumergido en adhesivo de resina, secándolo, cortándolo, laminándolo y, a continuación, recubriéndolo con lámina de cobre. Se forma a alta temperatura y presión utilizando una placa de acero como molde en una prensa caliente. Las láminas semicuradas de CCL, fabricadas principalmente con tela de vidrio impregnada de resina, se utilizan para producir la mayoría de las placas multicapa.
| Substrate Material | Description |
|---|---|
| Rigid Substrates | Non-flexible materials that withstand high temperatures and pressures. |
| Copper-Clad Laminate (CCL) | The main rigid substrate made by laminating copper foil onto resin-impregnated reinforcement material. |
| Flexible Substrates | Thin, lightweight materials that can bend or fold. |
| Reinforcement Materials | Paper, glass fiber cloth, composite-based (CEM series), and special materials (ceramic, metal core, etc.). |
| Resin Types | Phenolic, epoxy, polyester, and others. |
| Flame-Retardant Types | UL94-V0 (flame-retardant) and UL94-HB (non-flame-retardant). |
| Environment-Friendly CCL | Flame-retardant CCL without brominated compounds. |
| Performance-Based | General, low Dk, high heat-resistant (>150°C), low expansion CCLs, and others. |
Factores a tener en cuenta al elegir el material del sustrato de PCB
Quizás se pregunte qué factores deben tenerse en cuenta al seleccionar el sustrato de la PCB. Bueno, dependerá de la aplicación de su placa de circuito. Sin embargo, hay algunas características importantes del material que podrían afectar al rendimiento de su PCB. Debe tenerlas en cuenta antes de tomar una decisión.
Constante dieléctrica
Esta es la principal característica eléctrica que hay que tener en cuenta al diseñar laminados para PCB de alta velocidad/alta frecuencia. La constante dieléctrica es una magnitud compleja que depende de la frecuencia y provoca dispersión en los sustratos de PCB de las siguientes formas:
Dispersión de velocidad: dado que la constante dieléctrica es una función de la frecuencia, diferentes frecuencias experimentarán diferentes niveles de pérdida y se propagarán a diferentes velocidades.
Dispersión por pérdida: la atenuación que experimenta una señal también es una función de la frecuencia. Un modelo simple de dispersión sugiere que la pérdida aumenta al aumentar la frecuencia, pero esto no es estrictamente correcto, y puede haber relaciones complejas entre la pérdida y el espectro de frecuencias en algunos laminados.
Ambos efectos contribuyen al grado de distorsión que experimenta una señal durante su propagación. La dispersión es irrelevante para las señales analógicas que operan en anchos de banda muy estrechos o en una sola frecuencia. Sin embargo, es fundamental para las señales digitales y es uno de los principales retos a la hora de modelar señales digitales de alta velocidad y diseñar interconexiones.
Estilo tejido de vidrio
El estilo de tejido de vidrio crea huecos en el sustrato de la PCB, lo que está relacionado con el contenido de resina en la placa. La combinación de la relación de volumen del vidrio y la resina de impregnación determina la constante dieléctrica promedio del volumen del sustrato. Además, los huecos en el estilo de tejido de vidrio producen un fenómeno denominado «efecto de tejido de fibra», en el que la constante dieléctrica del sustrato varía a lo largo de la línea de interconexión, lo que provoca sesgos, resonancia y pérdidas. Estos efectos se hacen evidentes a frecuencias de alrededor de 50 GHz o superiores, lo que afecta a las señales de radar, Gigabit Ethernet y las señales típicas de los canales SerDes LVDS.
Rugosidad del cobre
Aunque en realidad se trata de una característica estructural de los conductores de cobre impresos, contribuye a la impedancia de interconexión. La rugosidad de la superficie del conductor aumenta eficazmente su resistencia al efecto piel a altas frecuencias, lo que da lugar a corrientes parásitas inducidas durante la propagación de la señal, causando pérdidas. El grabado del cobre, los métodos de deposición del cobre y la superficie del preimpregnado afectan en cierta medida a la rugosidad de la superficie.
Conductividad térmica y calor específico
La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la placa en un grado se cuantifica mediante el calor específico del sustrato, mientras que la cantidad de calor transmitida a través de la placa por unidad de tiempo se cuantifica mediante la conductividad térmica. Estas propiedades del material de la PCB determinan conjuntamente la temperatura final de la placa de circuito cuando alcanza el equilibrio térmico con su entorno durante el funcionamiento. Si utiliza su placa de circuito en un entorno que requiere una rápida disipación del calor hacia un gran disipador térmico o una carcasa, debe utilizar un sustrato con una conductividad térmica más alta.
Temperatura de transición vítrea y coeficiente de expansión térmica (CTE)
Estas dos características del material PCB también están relacionadas. Todos los materiales tienen un coeficiente de expansión térmica (CTE), que es precisamente la cantidad anisotrópica en los sustratos de PCB (es decir, la tasa de expansión es diferente en diferentes direcciones). Una vez que la temperatura de la placa de circuito supera la temperatura de transición vítrea, el CTE comienza a influir, afectando a la fiabilidad de la placa. Por lo tanto, es importante seleccionar un sustrato con una temperatura de transición vítrea y un CTE adecuados que cumplan los requisitos ambientales de la PCB.
