Cómo elegir el preimpregnado adecuado para PCB multicapa fiables

¿Alguna vez se ha preguntado qué hace que todas esas capas de cobre se adhieran a la sección transversal de una PCB multicapa? El material preimpregnado es la respuesta, y es mucho más importante de lo que la mayoría de los ingenieros piensa. Elija incorrectamente la selección del preimpregnado y estará predeterminado a la delaminación, la deriva de impedancia y problemas de fiabilidad a largo plazo. El preimpregnado no es solo pegamento. Es un compuesto diseñado que determina su separación dieléctrica, dicta su impedancia, afecta la pérdida de señal y determina el comportamiento de su placa bajo estrés térmico.

Con los diseños moviéndose hacia un mayor número de capas y una mayor velocidad de señal, el preimpregnado que seleccione es una de las elecciones de material más significativas en todo el proceso de diseño. Aquí, discutiremos la naturaleza del material preimpregnado, discutiremos los tipos comunes y sus propiedades, repasaremos las principales consideraciones en el proceso de selección y discutiremos los procesos de fabricación que dependen del rendimiento apropiado del material preimpregnado.

Papel crítico del material preimpregnado en la fabricación de PCB

Qué es el material preimpregnado y cómo funciona

Pero, ¿qué es el material preimpregnado? Preimpregnado es un término corto, pre-impregnado, que significa la tela de fibra de vidrio tejida que ha sido impregnada con una resina termoestable parcialmente curada. La resina se progresa a una forma semi-curada llamada etapa B, que es dura a temperatura ambiente pero se derretirá cuando se calienta. Después de ser completamente curada bajo presión y calor, se convierte en etapa C, convirtiéndose en una unión permanente que es rígida. Con una PCB multicapa, las capas internas de cobre ya han sido unidas a un laminado completamente curado (el núcleo, material de etapa C).

Estos núcleos se prensan luego juntos usando láminas de preimpregnado a temperaturas de 170-190 grados Celsius, y presiones de 250-400 PSI. La resina de etapa B se derrite, fluye alrededor de las características de cobre, llena los huecos y se endurece para mantener todo unido. El agente de unión, así como el aislante dieléctrico entre las capas de cobre, es el preimpregnado curado. El espaciado dieléctrico es directamente proporcional a su espesor y afecta la impedancia de la traza en las capas de señal adyacentes a él.

Por qué la selección del preimpregnado afecta directamente la fiabilidad de la placa

La selección de un material preimpregnado incorrecto cuando se usa en PCBs puede resultar en fallos de campo desastrosos. Cuando la temperatura de transición vítrea (Tg) es baja, la placa puede delaminarse durante el reflujo sin plomo entre 245 y 260 grados Celsius. En caso de que el contenido de resina sea bajo, se crean vacíos alrededor de las estructuras de cobre sólidas, que contienen humedad y crean puntos de fallo.

IPC-4101 establece los requisitos de calificación y rendimiento de los materiales base utilizados en PCBs multicapa, como el preimpregnado. La base de un apilado multicapa fiable es la elección del preimpregnado que se ajuste a su aplicación con la hoja de especificaciones IPC-4101 correcta.

Tipos Comunes de Materiales Preimpregnados y Sus Propiedades

No todos los materiales preimpregnados son iguales. La elección entre opciones estándar y avanzadas depende de las demandas térmicas, eléctricas y mecánicas de su aplicación.

Preimpregnado FR4 estándar vs. variantes de alta Tg y bajas pérdidas

El FR4 Normal implica material de vidrio E tejido impregnado con resina epoxi. En la mayoría de la electrónica de consumo y diseños de propósito general, proporciona un rendimiento fiable a un costo rentable. Su Tg de 130-140 grados Celsius, sin embargo, le da un margen estrecho en el reflujo sin plomo, y su factor de disipación (Df) de 0.017-0.025 le da una alta atenuación de señal a frecuencias superiores a 1 GHz.

El FR4 de Alta Tg utiliza sistemas de resina modificados para aumentar la Tg a 170 a 180 grados Celsius. Esto proporciona un margen térmico significativamente mayor al ensamblar sin plomo. Sus características eléctricas son las mismas que el FR4 normal, y por lo tanto, la razón principal por la que se usa el preimpregnado de alta Tg es la resistencia térmica. Las aplicaciones de alta frecuencia son el objetivo de las variantes de bajas pérdidas de preimpregnado. Otros materiales, como Isola I-Speed (Dk 3.63, Df 0.0085) y Panasonic Megtron 6 (Dk 3.4, Df 0.002) tienen una enorme caída en la pérdida dieléctrica y son necesarios en diseños por encima de 5 GHz.

Materiales preimpregnados compuestos para aplicaciones avanzadas

Además de los sistemas basados en epoxi, los materiales preimpregnados compuestos tienen usos especiales. Los preimpregnados basados en PTFE se utilizan en circuitos de RF y microondas, los preimpregnados hechos de poliimida pueden soportar temperaturas sostenidas por encima de 200 grados Celsius, y las construcciones híbridas pueden usar múltiples sistemas de resina en un solo apilado. Rogers proporciona materiales bondply como RO4450F (Dk 3.52, Df 0.004) para unir núcleos de laminado Rogers en placas multicapa de alta frecuencia, preservando las propiedades de bajas pérdidas con la capa de unión.

Entre FR4 y PTFE en términos de costo y rendimiento, los preimpregnados de resina de éster de cianato y BT (bismaleimida-triazina) se utilizan comúnmente en aviónica aeroespacial y en paquetes de sustratos de CI.

Factores clave a considerar al seleccionar preimpregnado

¿Cómo reduce el preimpregnado adecuado para su diseño específico? La respuesta está en hacer coincidir un puñado de parámetros críticos con los requisitos de su aplicación.

Tg, contenido de resina, flujo y rendimiento dieléctrico

Cuatro parámetros dominan cada decisión de selección de preimpregnado:

1.Temperatura de transición vítrea (Tg): La temperatura a la que la resina curada pasa de rígida a gomosa. Por encima de Tg, el CTE del eje Z aumenta drásticamente, estresando las vías. Para el ensamblaje sin plomo, se recomienda encarecidamente una Tg de al menos 170 grados Celsius.

2.Contenido de resina (RC): Oscila entre aproximadamente el 40 y el 65 por ciento en peso. Un mayor contenido de resina proporciona más flujo para laminar sobre cobre pesado (2 oz o más). Un menor contenido de resina produce capas dieléctricas curadas más delgadas.

3.Flujo de resina: Describe cuánta resina se mueve durante la laminación. Un flujo insuficiente conduce a vacíos. Un flujo excesivo causa falta de resina o expulsión en los bordes del panel.

4.Constante dieléctrica (Dk) y factor de disipación (Df): Dk afecta la impedancia y la velocidad de propagación. Df determina la energía de la señal perdida como calor. Ambos varían con la frecuencia, la temperatura y el contenido de resina.

Combinar el preimpregnado con el número de capas y las necesidades de la aplicación

Cada estilo de vidrio de preimpregnado produce un espesor nominal diferente y tiene un rango de contenido de resina diferente. Los estilos más comunes son:

• 106 (1.9 mil nominal): Muy delgado, alto contenido de resina (65 a 75 por ciento). Utilizado para capas dieléctricas delgadas y control de impedancia de paso fino.
• 1080 (2.8 mil nominal): Delgado con contenido de resina moderado (60 a 68 por ciento). Versátil para muchas configuraciones de apilado.
• 2116 (4.5 mil nominal): Espesor medio, contenido de resina moderado (48 a 56 por ciento). Común para laminación multicapa de propósito general.
• 7628 (7.0 mil nominal): Grueso con menor contenido de resina (42 a 48 por ciento). Proporciona rigidez estructural en placas gruesas.

Un punto de partida típico es una sola lámina de 2116 entre la capa de señal exterior y el plano de tierra, una sola lámina de 2116 entre la capa de señal interior y el plano de tierra, y una sola lámina de 2116 entre la capa de señal exterior y la capa de señal interior. En el caso de placas de 6 y 8 capas, se apilan para alcanzar el espesor deseado. La cantidad de 1080 que produce alrededor de 4.5 a 5.0 mils curados es de dos láminas, y la cantidad de 7628 que produce alrededor de 6.5 a 7.0 mils después del prensado es de una lámina.

Además, tenga en cuenta la distribución de cobre en las capas vecinas. Los patrones con alta densidad exigen un mayor flujo de resina. En caso de que el contenido de resina no sea suficiente para alcanzar la densidad de cobre, se crearán vacíos. Esto debe ser revisado por el equipo CAM de su fabricante, pero tener conocimiento de estas relaciones le permitirá tomar mejores decisiones de apilado.

Procesos de fabricación que dependen del preimpregnado

El rendimiento del preimpregnado es tan bueno como el proceso de fabricación que lo cura. El proceso de laminación es donde el preimpregnado se transforma de una lámina flexible en la columna vertebral dieléctrica rígida de su placa multicapa.

Control de laminación, presión y temperatura

El ciclo de laminación sigue una secuencia controlada con precisión:

1.Apilado: Los núcleos de las capas internas, las láminas de preimpregnado y las láminas de cobre exteriores se apilan en un accesorio de laminación con pines de registro que aseguran un posicionamiento preciso.

2.Rampa de calor: La temperatura aumenta hasta el punto de viscosidad mínima de la resina, alrededor de 120 a 140 grados Celsius, donde la resina se ablanda y comienza a fluir.

3.Aplicación de presión total: En la viscosidad mínima, la presión total (250 a 400 PSI) fuerza la resina a todos los huecos alrededor de las características de cobre. El tiempo es crítico para evitar atrapar aire.

4.Curado: La temperatura aumenta a 170 a 190 grados Celsius y se mantiene durante 60 a 90 minutos para la reticulación completa.

5.Enfriamiento: La prensa se enfría bajo presión a 2 a 4 grados Celsius por minuto para evitar deformaciones.

Asegurar una unión uniforme y resultados sin vacíos

El equilibrio del cobre es muy importante. Cuando la cobertura de cobre en un área es del 90 por ciento, y la cobertura en la otra es del 10 por ciento, el preimpregnado se comprime de manera desigual, produciendo una variación en el espesor dieléctrico. La densidad se iguala mediante relleno de cobre no funcional. IPC-2221 sugiere que todas las capas deben tener un equilibrio de cobre.

La detección de vacíos después de la laminación utiliza varios métodos:

• La microsección transversal revela vacíos, falta de resina o delaminación
• Las pruebas eléctricas detectan aperturas causadas por fallos de unión relacionados con vacíos
• Las pruebas de estrés térmico según IPC-TM-650 2.6.8 someten cupones a soldadura fundida a 288 grados Celsius para verificar que la unión resiste el choque térmico

Las instalaciones modernas monitorean los parámetros de laminación en tiempo real para una trazabilidad completa del proceso.

Experiencia de JLCPCB en la selección y fabricación de material preimpregnado

Amplia gama de opciones de preimpregnado certificadas y control de procesos

JLCPCB tiene un inventario calificado de materiales preimpregnados, incluyendo FR4 estándar, FR4 de alta Tg y laminados especiales, todos los cuales provienen de proveedores certificados según los estándares de IPC-4101. Cada tipo de material y espesor de placa se lamina utilizando recetas de prensa calificadas.

A medida que publica archivos Gerber y el apilado de capas, el equipo de ingeniería analizará el diseño para proporcionar posibles problemas de laminación, como contenido de resina inadecuado, objetivos dieléctricos impracticables, colocación desigual de cobre y desajuste de impedancia. Este bucle de retroalimentación evita costosos rediseños.

Producción consistente de alto rendimiento desde prototipo hasta volumen

JLCPCB utiliza las mismas especificaciones de material y control de procesos ya sea que pida 5 prototipos o 5,000 unidades de producción. Las placas multicapa estándar tienen tiempos de producción que comienzan de 1 a 2 días, con cotización instantánea en línea de su configuración específica.

Para aplicar estos principios en la práctica, el servicio de fabricación de PCB multicapa de JLCPCB puede ayudarle a obtener placas con calidad de producción con los materiales preimpregnados correctos elegidos y procesados para su aplicación con solo un diseño de apilado.

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