Pautas de diseño para PCBs con sustratos FR4

Las consideraciones sobre el material del sustrato son fundamentales a la hora de diseñar placas de circuito impreso. Esto se debe a que las PCB no pueden fabricarse sin seleccionar correctamente los materiales del propio circuito. Al desarrollar y producir placas, el material del sustrato debe tenerse en cuenta tanto como las capas de cobre, la serigrafía y el acabado superficial.

En términos generales, para los sustratos de PCB deben emplearse materiales no conductores como cerámica, FR4 y otros materiales equivalentes, escogiendo cada uno en función de la aplicación prevista. Si no se seleccionan correctamente ciertos parámetros del núcleo y del material, el circuito puede presentar comportamientos inesperados. En este artículo se explica para qué aplicaciones resulta adecuado el FR4 y se ofrecen varias recomendaciones de diseño para PCBs con FR4.

¿Qué es el FR4?

El FR4, o Flame Retardant 4, es una designación de grado para un tipo de material utilizado en la fabricación de placas de circuito impreso. Está formado principalmente por fibra de vidrio tejida e impregnada con resina epoxi, lo que le confiere un excelente aislamiento eléctrico y buena resistencia mecánica. El "4" en FR4 lo diferencia de variedades anteriores de materiales retardantes de llama. Por esta razón, es el material más utilizado debido a sus propiedades superiores. A medida que se producían materiales reforzados con fibra y resinas sintéticas a mediados del siglo XX, se creó el FR4.

Como se mencionó anteriormente, la designación "FR" indica que el material es retardante de llama, lo que lo hace adecuado para muchos usos exigentes. El material tiene una constante dieléctrica (Dk) entre 4,2 y 4,8, dependiendo de la frecuencia. El factor de disipación (Df) es de alrededor de 0,02 a 1 MHz, lo que lo hace adecuado para diseños electrónicos de propósito general.

Clasificación y propiedades del FR4:

En la industria de las PCB, las placas FR4 se clasifican según el grosor, la fuente del material, las cualidades eléctricas y las características térmicas. El FR4 tiene un grosor normal de 1,6 mm, sin embargo, existen otras variaciones de 0,5 mm y 2,36 mm. El rango normal de grosor de cobre es de 18 µm a 140 µm, dependiendo de las especificaciones de diseño.

La temperatura de transición vítrea (Tg), que controla el comportamiento del material ante el calor, es una de las propiedades térmicas más importantes en la clasificación del FR4. El FR4 se presenta en tres rangos de temperatura:

• Tg baja (130–140°C)
• Tg estándar (150–160°C)
• Tg alta (>170°C)

Debido a su mejor resistencia al calor y la humedad, se recomienda utilizar materiales de alta Tg. El FR4 comienza a descomponerse a temperaturas superiores a los 180°C. Además, el FR4 tiene un coeficiente de expansión térmica (CTE) bajo, lo que lo hace ideal para situaciones en las que el calor es una preocupación.

7 pautas de diseño para el uso de FR4 en diseños de PCB

1)  Definición del stackup y planificación de capas

Un apilamiento de capas bien estructurada mejora tanto la integridad de la señal como la gestión térmica. Es muy común que, debido a una mala estructura de la pila en la PCB, se presenten problemas relacionados con las reflexiones de la señal. Se ha discutido sobre la estructura HDI, para una mejor integridad de la señal y menor EMI, consulte el artículo detallado aquí. Algunas pilas comunes incluyen:

• PCBs de 2 capas para diseños sencillos.
• Stackups de 4 a 8 capas para circuitos más complejos y de alta densidad.

2)  Ancho de traza y control de impedancia

Para diseños con impedancia controlada, calcule el ancho de las trazas según las propiedades dieléctricas del FR4. Generalmente, debemos hacer coincidir la impedancia de la traza con el puerto de salida y entrada, de lo contrario, habrá reflexión de señal, lo que causará problemas de EMI. Los cálculos estándar en línea o el software de diseño de PCB pueden ayudar a determinarlo. También contamos con un calculador de impedancia de JLCPCB para ello. Para más información sobre control de impedancia en PCBs, consulte nuestro artículo reciente sobre el tema. Por ejemplo: las configuraciones de microstrip y stripline deben diseñarse cuidadosamente según la pila para mantener una calidad de señal consistente.

3) Consideraciones térmicas

Aunque el FR4 no es térmicamente conductor, se pueden utilizar buenas estrategias para hacerlo más conductor del calor. Por ejemplo, podemos utilizar vías térmicas, vertidos de cobre y disipadores de calor para eliminar el calor local. Para componentes con una salida de calor significativa, podemos considerar el uso de PCBs de núcleo metálico (MCPCB). El FR4 es ideal para circuitos electrónicos de potencia, especialmente si utiliza un disipador de calor a bordo para disipar el calor, aunque también se pueden implementar otras soluciones como las mencionadas anteriormente para reducir los efectos térmicos. Mejorar la gestión térmica de una PCB garantiza su larga vida útil y durabilidad.

4) Diseño de vías y relación de aspecto

La relación de aspecto (grosor de la placa a diámetro del agujero perforado) debe mantenerse entre 8:1 y 10:1 para garantizar una fiabilidad en el recubrimiento de las vías. Utilice costura de vías para planos de tierra y vías térmicas debajo de componentes que consumen mucha energía para mejorar la disipación del calor. Evite los vástagos de vía innecesarios en diseños de alta velocidad utilizando retroperforación si es necesario. Hemos cubierto algunos artículos recientes sobre la colocación de vías térmicas y los tipos de vías en el diseño de PCB.

5) Separaciones y Spacing

La separación es muy importante cuando se diseñan aplicaciones de alta velocidad o alta frecuencia. Esto es básicamente el espacio por el cual fluye la información electromagnética. Cualquier retraso en el flujo de ondas electromagnéticas causa directamente problemas como el cruce de señales (crosstalk). Siga las pautas IPC-2221 para el espaciado:

• Pista a pista: ≥ 0,15 mm (6 mil) para fabricación estándar.
• Pad a pad: Según la huella del componente y el proceso de ensamblaje.
• Separación de borde: Deje un espacio mayor de 0,3 mm para el enrutamiento cerca de los bordes de la PCB.

Para circuitos de alta tensión, podemos aumentar aún más la separación, según las normas de seguridad aplicables.

6) Colocación y enrutamiento

Podemos agrupar los componentes lógicamente para minimizar la longitud de las trazas y evitar el cruce de trazas. Por ejemplo, se debe enrutar las señales analógicas y digitales al menos 4-5 mm de distancia. Otras estrategias incluyen colocar los condensadores de desacoplamiento cerca de los pines de alimentación de los IC y mantener las parejas diferenciales estrechamente acopladas. También se pueden utilizar vertidos de tierra y trazas de protección para los circuitos digitales de alta velocidad, para proporcionarles acoplamiento de ruido.

7) Consideraciones sobre la integridad de la señal

Aunque el FR4 admite diseños digitales de alta velocidad hasta cierto punto, debido a su tangente de pérdida, la atenuación de la señal aumenta cuando se alcanza cierta frecuencia (varios GHz). Sin embargo, podemos seguir algunas reglas, como: para las rutas críticas de señal, mantener las trazas cortas y utilizar impedancia igualada. Para frecuencias superiores a 3-4 GHz, simplemente cambie a materiales de baja pérdida como Rogers y PTFE.

Conclusión

Diseñar PCBs con sustratos FR4 ofrece un equilibrio entre rendimiento y coste. En resumen, lo que tenemos con FR4 es:

• Constante dieléctrica (Dk): aproximadamente entre 4,2 y 4,8 (varía con la frecuencia).
• Tangente de pérdida (Df): Moderada, pero depende de la frecuencia, 0,02 a 1 MHz.
• Conductividad térmica: Aproximadamente 0,3 W/mK (relativamente baja para la disipación térmica).

El material FR4 es popular en fabricación y ensamblaje de PCB. Sus propiedades cubren un rango amplio de temperaturas y frecuencias y, para aplicaciones estándar, su bajo coste lo convierte en una opción especialmente atractiva.