Comparación de materiales de sustrato para PCB: rendimiento y resistencia térmica

Las placas de circuito impreso (PCB) son componentes esenciales en la electrónica moderna, actuando como la base estructural y funcional para dispositivos que van desde teléfonos inteligentes hasta equipos médicos. La elección del material de sustrato es un factor clave en el diseño de PCB, especialmente en relación con la impedancia, la resistencia térmica y el rendimiento general del dispositivo.

En este artículo se compararán la resistencia térmica y el rendimiento de tres materiales comunes de sustrato para PCB: FR-4, aluminio y cerámica. Además, se ofrecerán recomendaciones para los diseñadores que deseen optimizar el rendimiento térmico de sus placas. También se explorarán otros materiales de sustrato y se presentarán ejemplos adicionales de aplicaciones en las que estos materiales se utilizan habitualmente.

3 materiales comunes de sustrato para PCBs

Material de sustrato FR-4

（Fuente: Jichangsheng Technology）

El FR-4 es uno de los materiales de sustrato más utilizados en la fabricación de PCB. Se trata de un laminado a base de resina epoxi que incorpora una malla de fibra de vidrio, además de contar con propiedades ignífugas que le confieren resistencia al fuego.

Este material ofrece buena resistencia mecánica y excelentes propiedades de aislamiento eléctrico, lo que lo convierte en una opción popular para una amplia variedad de aplicaciones. Sin embargo, el FR4 presenta una conductividad térmica relativamente baja, lo que puede limitar su capacidad para disipar el calor.

Una forma de mejorar el rendimiento térmico del material FR-4 es utilizar capas de cobre más gruesas y pistas más anchas, con el fin de aumentar el área de superficie disponible para la disipación de calor. Otra opción es incorporar vías térmicas, que proporcionan un camino para que el calor se transfiera desde el componente hacia el otro lado de la placa. Además, los diseñadores pueden emplear disipadores térmicos（heatsinks） para optimizar la gestión térmica, aunque esto puede incrementar el coste de fabricación de la placa.

Material de sustrato de aluminio

El aluminio es un material de sustrato con base metálica que se caracteriza por su excelente conductividad térmica y un alto coeficiente de expansión térmica. Se utiliza frecuentemente en aplicaciones de alta potencia, donde la disipación de calor es un factor crítico. Los sustratos de aluminio también pueden emplearse como base para disipadores térmicos u otras soluciones de refrigeración.

Un ejemplo específico de sustrato de aluminio es el sustrato metálico aislado (IMS, por sus siglas en inglés), que consiste en una fina capa de material aislante situada entre una capa de aluminio y una capa de cobre. La capa de aluminio proporciona una excelente disipación térmica, mientras que la capa de cobre garantiza una buena conductividad eléctrica.

Una aplicación común del sustrato de aluminio es en la iluminación LED. Los LEDs generan una cantidad significativa de calor y el uso de un sustrato de aluminio contribuye a disiparlo, prolongando así la vida útil y mejorando la fiabilidad del dispositivo LED.

Material de sustrato cerámico

La cerámica es otro tipo de material de sustrato ampliamente utilizado en aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia. Los sustratos cerámicos ofrecen una excelente conductividad térmic, alta resistencia mecánica y capacidad para operar a temperaturas elevadas. También son resistentes a la corrosión y poseen buenas propiedades eléctricas.

Un ejemplo específico del sustrato cerámico es la cerámica cocida a baja temperatura (LTCC, por sus siglas en inglés), que está compuesta por múltiples capas cerámicas. Estas capas pueden ser serigrafiadas con trazos conductores, lo que permite fabricar circuitos complejos que intergran componentes pasivos.

Los sustratos cerámicos se emplean frecuentemente en aplicaciones que requieren funcionamiento a altas frecuencias, como en sistemas de microondas y radiofrecuencia (RF). También se utilizan en electrónica de potencia, como convertidores DC-DC y controladores de motores.

Otros materiales de sustrato

Además de FR-4, aluminio y cerámica, existen otros materiales utilizados en la fabricación de PCBs que responden a necesidades específicas. Por ejemplo, Rogers Corporation ofrece una amplia gama de materiales de alto rendimiento para PCBs, que incluyen materiales con alta conductividad térmica, baja pérdida dieléctrica y bajo coeficiente de expansión térmica.

Otro ejemplo son los materiales basados en PTFE (politetrafluoroetileno), que presentan excelentes propiedades eléctricas y pueden operar a altas temperaturas, lo que los convierte en una opción popular para aplicaciones de radiofrecuencia (RF).

El poliimida es otro material de sustrato comúnmente utilizado en PCBs flexibles. Tiene una alta tolerancia a la temperatura y se puede emplear en aplicaciones donde la placa debe doblarse o flexionarse. La poliimida se utiliza con frecuencia en sectores como la aeronáutica, en los que las PCBs deben resistir temperaturas extremas y entornos hostiles.

Recomendaciones para diseñadores de PCB

Al seleccionar el material de sustrato para una PCB, los diseñadores deben considerar los requisitos específicos de la aplicación, así como aspectos como el coste, la disponibilidad y la facilidad de fabricación. Para aplicaciones de alta potencia o que operan a altas temperaturas, materiales como el aluminio o la cerámica suelen ser preferidos debido a su mayor conductividad térmica. Sin embargo, para aplicaciones de menor potencia, el FR-4 puede ser una opción más rentable y práctica.

Además de la selección del material del sustrato, los diseñadores también deben tener en cuenta otros factores que pueden influir en el rendimiento térmico de la PCB, como la colocación de los componentes, el peso y grosor del cobre y el uso de vías térmicas. Los disipadores térmicos y otras soluciones de refrigeración también pueden emplearse para mejorar la gestión térmica, aunque estas opciones incrementan el coste total de la placa.

Ejemplos de materiales y aplicaciones

Otros materiales de sustrato y sus aplicaciones incluyen:

Teflón (PTFE): Este material posee excelentes propiedades dieléctricas y puede operar a altas temperaturas. Se utiliza comúnmente en aplicaciones de microondas y radiofrecuencia (RF).

Kapton: Es una película de poliimida que se emplea frecuentemente en circuitos flexibles, usados en equipos médicos y aplicaciones aeroespaciales.

PCBs con núcleo metálico: Son PCBs con núcleo metálico, típicamente aluminio, como material de sustrato. Son comúnmente usados en iluminación LED de alta potencia y aplicaciones automotrices.

PCBs flexibles: Estas PCB emplean un material de sustrato flexible, generalmente poliimida, que permite doblar y flexionar. Suelen emplearse en tecnología vestible, dispositivos médicos y aplicaciones aeroespaciales.

FR-4 de alta temperatura: Variante del FR-4 diseñada para operar a temperaturas más elevadas. Se utiliza comúnmente en aplicaciones automotrices y aeroespaciales.

PTFE relleno con cerámica: Este material combina las excelentes propiedades eléctricas del PTFE con la alta conductividad térmica de la cerámica. Es común en aplicaciones de alta frecuencia y alta potencia.

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Conclusión

En resumen, la selección del material de sustrato es un factor fundamental en el diseño de PCB, especialmente en lo que respecta a la resistencia térmica y el rendimiento. Los diseñadores cuentan con diversas opciones, cada una con propiedades y ventajas específicas: los materiales más comunes son FR-4, aluminio y cerámica, cada uno con sus fortalezas y limitaciones.

Al seleccionar un material de sustrato, los diseñadores deben tenerse en cuenta los requerimientos específicos de la aplicación, así como factores como el coste, la disponibilidad y la facilidad de fabricación. Además, es fundamental considerar otros factores que afectan el desempeño térmico de la PCB, como la colocación de componentes, el peso y espesor del cobre, y el uso de vías térmicas para mejorar la disipación del calor.

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