Materiales Utilizados en Placas de Circuito Impreso (PCIs): Una Guía Completa para Fabricantes.

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Las placas de circuitos impresos (PCB) son la columna vertebral invisible de todos los dispositivos electrónicos, desde los teléfonos inteligentes hasta las naves espaciales, pero su rendimiento depende enteramente de los materiales utilizados para construirlas.El módem 5G de un teléfono inteligente se basa en materiales de sustrato de baja pérdida para evitar la pérdida de señalEl sistema de gestión de la batería de un vehículo eléctrico (BMS) requiere una lámina de cobre resistente al calor para manejar las altas corrientes.o incluso peligros de seguridad (e. por ejemplo, sobrecalentamiento en dispositivos médicos).

Esta guía analiza los materiales críticos que componen un PCB, sus propiedades únicas y cómo seleccionar los adecuados para su aplicación.Cubriremos todo, desde sustratos fundamentales y láminas de cobre conductoras hasta máscaras de soldadura protectoras y acabados superficiales que aumentan la fiabilidad, con comparaciones basadas en datos y casos de uso del mundo real adaptados a los estándares de fabricación estadounidenses.La comprensión de estos materiales es clave para construir PCB que realicen, último, y cumplir con los objetivos de costes.

Las cosas que hay que aprender
a.Los materiales de sustrato (por ejemplo, FR4, Rogers, poliimida) dictan el rendimiento térmico, eléctrico y mecánico de un PCB.Mientras que Rogers sobresale en diseños de 5G/mmWave.
b. El espesor de la lámina de cobre (1 oz ∼5 oz) y el tipo (electrolítico versus laminado) de impacto Capacidad de carga de corriente: 2 oz de cobre maneja corrientes de 30A + (crítico para los vehículos eléctricos),mientras que el cobre laminado ofrece flexibilidad para los wearables.
c. Las máscaras de soldadura (principalmente LPI verde) protegen las huellas de la corrosión y los puentes de soldadura, con variantes de alta temperatura (Tg ≥ 150 °C) necesarias para los PCB automotrices e industriales.
d.Los acabados de superficie (ENIG, HASL, ENEPIG) determinan la solderabilidad y la vida útil: ENEPIG es el estándar de oro para dispositivos médicos/aeroespaciales, mientras que HASL sigue siendo rentable para dispositivos de baja fiabilidad.
e.Los errores de selección de materiales causan el 35% de las fallas de PCB (datos IPC) La combinación de materiales con las necesidades de la aplicación (por ejemplo, temperatura, frecuencia, corriente) reduce las tasas de falla del campo en un 50%.

1Materiales de sustrato de PCB: la base del rendimiento
El sustrato es la base no conductora que contiene rastros de cobre, componentes y otras capas de PCB.
a. Conductividad térmica: qué tan bien disipa el calor el PCB (crítico para componentes de alta potencia como los IGBT).
b.Constante dieléctrica (Dk): qué tan bien aísla las señales eléctricas (baja Dk = mejor rendimiento de alta frecuencia).
c. Resistencia mecánica: resistencia a la deformación, flexión o grietaje (clave para entornos resistentes).

A continuación se presentan los materiales de sustrato más comunes, con una comparación detallada para guiar la selección:

Por qué importa la elección del sustrato
a.Electrónica de consumo: el FR4 es el caballo de batalla en este sentido, ya que su bajo coste y su adecuado rendimiento térmico (0,3 W/m·K) permiten satisfacer las necesidades de energía de 1 5 W de los teléfonos inteligentes y tabletas.Un PCB FR4 de 6 capas en un iPhone 15 cuesta ~(2.50, frente a) 12,50 para un equivalente de Rogers.
b.5G/ Telecom: el bajo Dk de Rogers RO4350 (3.48) minimiza la pérdida de señal a 28GHz, lo que lo hace esencial para las estaciones base 5G. Sin él, las señales 5G se degradarían en un 40% durante 10 cm de traza.
c.Aeroespacial: Los sustratos de poliimida soportan oscilaciones de temperatura de -55°C a 200°C y resisten la radiación, por lo que son ideales para los PCB satelitales.El Telescopio Espacial James Webb de la NASA utiliza PCB a base de poliamida para sus instrumentos criogénicos.
d.EV: los sustratos de núcleo de aluminio (MCPCB) de los inversores EV disipan el calor 3 veces más rápido que el FR4, manteniendo las temperaturas de unión IGBT por debajo de 125 °C (el umbral para el estrangulamiento térmico).

2. La hoja de cobre: la columna conductiva
La lámina de cobre es el material conductor que forma rastros, planos y almohadillas que transportan señales eléctricas y energía a través de la PCB.flexibilidad, y el coste.

Principales especificaciones de las láminas de cobre
a. espesor: medido en onzas (oz) (1 oz = espesor de 35 μm).
1 oz: ideal para señales de baja corriente (≤10A) en electrónica de consumo.
2 oz: maneja corrientes de 10 30A (EV BMS, motores industriales).
3 ¢ 5 oz: Para aplicaciones de alta potencia (50A +), como inversores EV o equipos de soldadura.
b.Tipo: dos variantes principales, cada una adecuada a necesidades específicas:

Consideraciones críticas para el papel de cobre
a.Capacidad de corriente: un rastro de cobre de 1 mm de ancho y 2 oz lleva ~ 30A a 25 °C (estándar IPC-2221). Para corrientes más altas, use rastros más anchos (por ejemplo, de 2 mm de ancho, 2 oz = 50A) o una lámina más gruesa (3 oz = 45A para 1 mm de ancho).
b. Rugosidad superficial: el cobre laminado tiene una superficie más lisa (Ra < 0,5 μm) que la electrolítica (Ra 1 ‰ 2 μm), lo que reduce la pérdida de señal a altas frecuencias (28 GHz +). Esto lo hace ideal para los PCB de onda mm 5G.
c.Flexibilidad: el cobre laminado soporta más de 10.000 ciclos de flexión (en comparación con 1.000 para el electrolito), crítico para teléfonos plegables o sensores portátiles.

Ejemplo: el BMS Model Y de Tesla utiliza 2 onzas de lámina de cobre electrolítica para los aviones de potencia, equilibrando el costo y la capacidad de corriente (30A por rastro) manteniendo el PCB lo suficientemente delgado como para caber en el paquete de baterías.

3Máscara de soldadura: Protección de huellas y prevención de cortos
a. La máscara de soldadura es una película líquida o seca aplicada sobre trazas de cobre (excepto almohadillas) para:
b. Protege el cobre de la oxidación y la corrosión.
c.Evitar puentes de soldadura accidentales entre las pistas adyacentes (común en los PCB de alta densidad).
d.Aislar las huellas de humedad, polvo y productos químicos.

Tipos comunes de máscaras de soldadura
La máscara de soldadura LPI (Liquid Photoimageable) se utiliza en el 95% de los PCB modernos aplicados como líquido, expuestos a la luz UV (a través de una máscara fotográfica) y desarrollados para dejar las almohadillas sin cubrir.Las imágenes de las imágenes de las películas de cine son raras hoy en día debido a la menor precisión..

Por qué importa el color de las máscaras de soldadura
a.Verde: el estándar de la industria es asequible, fácil de inspeccionar (en contraste con el cobre) y compatible con la mayoría de los procesos.
b.Negro: Popular en dispositivos de gama alta (por ejemplo, teléfonos inteligentes premium) por su estética, pero más difícil de inspeccionar (requiere luz UV para verificar los defectos).
c.Blanco: se utiliza en los PCB LEDs que reflejan la luz para aumentar el brillo del LED en un 15%.

Nota clave: El IPL de alta temperatura (Tg ≥ 150°C) es obligatorio para los PCB de automóviles, que funcionan en entornos bajo el capó (125°C+).que conduce a cortocircuitos.

4Tinta de serigrafía: etiquetado e identificación
La tinta de serigrafía es la capa final aplicada a los PCB para imprimir texto, logotipos, referencias de componentes (por ejemplo, R1, U2) y marcas de polaridad.Es fundamental para el ensamblaje (ubicación de componentes de guía) y el mantenimiento (identificación de piezas para reparación).

Tipos de tinta de serigrafía
La mayoría de las tintas están basadas en epoxi (resistentes al calor y a los productos químicos) o curables con UV (seca rápida para la producción de gran volumen).

Mejores prácticas para la serigrafía
a.Tamaño de la fuente: utilizar texto de una altura mínima de 0,8 mm. El texto más pequeño es difícil de leer y puede mancharse durante el montaje.
b.Limitación: Mantenga la tinta a 0,1 mm de distancia de las almohadillas – la tinta en las almohadillas evita la soldadura (una de las principales causas de defectos de montaje).
c. Durabilidad: se prefieren las tintas epoxi para los PCB industriales, que pueden someterse a una limpieza o manipulación frecuentes.

Ejemplo: Una fábrica que repara accionamientos de motores industriales depende de la pantalla de seda epoxi para identificar una resistencia defectuosa (R45), sin un etiquetado claro, el tiempo de reparación se duplicaría, costando $ 500 / hora en tiempo de inactividad.

5. acabados de la superficie de PCB: garantizar la solderabilidad y la longevidad
Los acabados superficiales recubren las almohadillas de cobre expuestas a:
a.Evitar la oxidación (que arruina la solderabilidad).
b. Mejorar la fiabilidad de las juntas de soldadura.
c.Prorrogar la vida útil de los PCB (de 6 meses a más de 2 años).
Esta es una de las opciones de material más críticas: los acabados deficientes causan el 25% de los fallos de soldadura (datos IPC).

Por qué la decisión final no es negociable
a.Dispositivos médicos: el ENEPIG es obligatorio. Evita el "black pad" (un compuesto frágil de níquel y oro que causa fallas articulares) y resiste la esterilización en autoclave (134°C, presión de 2 bares).
b.Aeroespacial: la vida útil de 18 meses de ENIG garantiza que los PCB se mantengan vendibles durante un largo almacenamiento (por ejemplo, componentes de satélites almacenados durante 2 años antes del lanzamiento).
c. Electrónica de consumo: El HASL es rentable para televisores o juguetes, donde los PCB se ensamblan rápidamente y se reemplazan cada 2-3 años.
d.EV: ENEPIG se utiliza en los PCB de radar ADAS, su resistencia a la corrosión (1500 horas de rociado de sal) evita fallas por la sal y la humedad del camino.

6Marco de selección de materiales: cómo elegir la combinación adecuada
Con tantas opciones, la selección de materiales de PCB puede parecer abrumadora.

Paso 1: Definir los requisitos de rendimiento
a.Eléctrico: ¿Cuál es la frecuencia máxima (por ejemplo, 28 GHz para 5G) o la corriente (por ejemplo, 30A para EV BMS)?
b.Térmico: ¿Cuál es la temperatura máxima de funcionamiento (por ejemplo, 150 °C para el automóvil)?
c. Mecánica: ¿Se doblará el PCB (wearables) o resistirá la vibración (aeroespacial)?

Paso 2: Considere el costo frente al valor
a.Electrónica de consumo: Priorizar materiales de bajo costo (FR4, cobre electrolítico de 1 onza, HASL) para cumplir con los puntos de precio (por ejemplo, un teléfono inteligente de $ 200 no puede pagar sustratos Rogers).
b.Alta fiabilidad (Médico/Aeroespacial): Invierta en materiales de primera calidad (ENEPIG, poliimida, Rogers) –el (10 extra por PCB evita) reclamos de garantía de más de 100k o multas reglamentarias.

Paso 3: Verificación de la compatibilidad de fabricación
Asegúrese de que los materiales funcionen con su proceso de ensamblaje:
Los PCB flexibles requieren cobre laminado y una máscara de soldadura de poliamida. El cobre electrolítico se agrietará durante la flexión.
Las tiradas de gran volumen (100k+ PCB) se benefician de la serigrafía curable por UV (curado rápido) frente a la epoxi (más lenta).

Paso 4: Validación del cumplimiento
a.Automotivos: los materiales deben cumplir la norma IATF 16949 (por ejemplo, máscara de soldadura de alta Tg, ENEPIG).
b.Medical: ISO 13485 requiere materiales biocompatibles (por ejemplo, ENEPIG, poliimida).
c.Mercados mundiales: Prohibición del plomo conforme a la Directiva RoHS

7Combinaciones de materiales del mundo real por industria
Para concretar la selección de materiales, aquí hay combinaciones comprobadas para aplicaciones comunes:

Electrónica de consumo (PCB principal del teléfono inteligente)
1.Substrato: FR4 de alta Tg (Tg 170°C)
2. Copper Foil: 1 oz de electrolitic (capas de señal), 2 oz de electrolitic (planos de potencia)
3.Máscara de soldadura: verde LPI estándar (Tg 130°C)
4.Película de seda: epoxi curable por UV (texto de 0,8 mm)
5- acabado superficial: ENIG (equilibrio entre solderabilidad y coste)
6.Por qué funciona: FR4 mantiene los costos bajos, 2 oz de cobre maneja corrientes de carga (15A), y ENIG garantiza una soldadura confiable BGA (0,4 mm de ancho).

Para la industria automotriz (PCB de inversores de vehículos eléctricos)
1.Substrato: núcleo de aluminio (MCPCB)
2.Foliu de cobre: 3 oz electrolítico (maneja corrientes de 50A)
3.Máscara de soldadura: LPI de alta Tg (Tg 180°C)
4.Película de seda: a base de epoxi (resiste al aceite y a los productos químicos)
5.Finalización superficial: ENEPIG (resistencia a la corrosión, sin almohadilla negra)
6.Por qué funciona: MCPCB disipa el calor IGBT, 3 oz de cobre lleva alta corriente, y ENEPIG resiste condiciones debajo del capó.

Medico (PCB de controlador de ritmo)
1.Substrato: poliimida (flexible y biocompatible)
2.Foliu de cobre: 1 oz laminado (flexible, baja rugosidad de la superficie)
3Máscara de soldadura: LPI flexible (a base de poliimida, biocompatible)
4. Silkscreen: Epoxi (resiste a los fluidos corporales)
5.Terminación superficial: ENEPIG (resistente a la esterilización, larga vida útil)
6Por qué funciona: la poliimida se dobla con el movimiento del cuerpo, el cobre laminado evita las grietas y ENEPIG cumple con las normas ISO 13485.

Aeroespacial (PCB de comunicación por satélite)
1.Substrato: PTFE (baja Dk para señales de 60 GHz)
2.Foliu de cobre: 2 oz laminado (resistente a la radiación)
3.Máscara de soldadura: LPI de alta Tg (Tg 180°C, resistente a la radiación)
4. Silkscreen: Epoxi (resiste el vacío y los cambios de temperatura)
5.Terminación superficial: ENIG (18 meses de vida útil)
6Por qué funciona: el PTFE minimiza la pérdida de señal en el espacio, el cobre laminado resiste el daño por radiación y el ENIG garantiza la solderabilidad después de un largo almacenamiento.

Preguntas frecuentes sobre los materiales de PCB
P: ¿Puedo mezclar diferentes materiales de sustrato en un PCB?
R: Sí, los PCB híbridos combinan materiales para necesidades específicas. Por ejemplo, un PCB de enrutador 5G podría usar Rogers para la sección de onda mm (baja Dk) y FR4 para el resto (ahorro de costos).Sólo asegúrese de que los materiales tienen similar CTE (coeficiente de expansión térmica) para evitar la deformación durante el reflujo.

P: ¿Cuál es la diferencia entre 1 oz y 2 oz de cobre para señales?
R: 1 oz de cobre (35 μm) es suficiente para la mayoría de las señales (≤10A, ≤1GHz), mientras que se necesitan 2 oz (70 μm) para corrientes más altas (10 30A) o resistencia más baja (crítica para trazas largas en PCB industriales).2 oz de cobre también disipa el calor mejor, reduciendo las temperaturas de traza en 15 °C a 20 A.

P: ¿Por qué el verde es el color estándar de la máscara de soldadura?
R: La tinta verde utiliza un pigmento (verde ftalocyanina) que es asequible, es estable frente a los rayos UV y proporciona un alto contraste con el cobre, lo que facilita a los inspectores detectar defectos (por ejemplo, falta de máscara de soldadura, falta de una máscara de soldadura, etc.).rasguños)Otros colores (negro, blanco) son estéticos o funcionales, pero cuestan más.

P: ¿Vale la pena el coste adicional del ENEPIG respecto al ENIG?
R: Para aplicaciones de alta confiabilidad (médica, aeroespacial), sí, ENEPIG agrega una capa de paladio que elimina la almohadilla negra (un punto de falla importante en ENIG) y mejora la resistencia de la unión de alambre en un 30%.Para productos electrónicos de consumo, ENIG suele ser suficiente.

P: ¿Pueden los PCB flexibles utilizar sustrato FR4?
R: No. FR4 es rígido y se agrietará cuando se dobla. Los PCB flexibles requieren sustratos de poliimida o poliéster, emparejados con papel de cobre laminado (lo suficientemente dúctil como para resistir la flexión).

Conclusión
Los materiales de PCB no son intercambiables. Cada elección (substrato, cobre, máscara de soldadura, acabado) afecta directamente el rendimiento, la fiabilidad y el costo.FR4 y 1 oz de trabajo de cobre para el 80% de las aplicaciones de consumo, pero el 5G, los vehículos eléctricos y los dispositivos médicos requieren materiales especializados como Rogers, 2 oz + de cobre y ENEPIG.
La clave del éxito es alinear los materiales con las necesidades únicas de su solicitud:
a. Priorizar los sustratos bajos en Dk para los diseños de alta frecuencia.
b.Elegir un cobre más grueso para las vías de alta corriente.
c.Utilizar materiales de alta temperatura para entornos automotrices o industriales.
d.Invertir en acabados de primera calidad (ENEPIG) para PCB de larga duración o críticos para la seguridad.
Al seguir esta guía, evitará el 35% de fallas de PCB causadas por desajustes de materiales y construirá productos que cumplan con los objetivos de rendimiento, se mantengan dentro del presupuesto y resistan la prueba del tiempo.Si usted es un ingeniero experimentado o un fundador de una startup, el dominio de los materiales de PCB es el primer paso para crear electrónica que supere el rendimiento y la durabilidad de la competencia.