FR-4 es el material de sustrato más utilizado para placas de circuitos impresos. Pero, ¿qué propiedades exactamente lo convierten en una base de PCB tan solicitada?
Curiosamente, muchas personas implicadas en la fabricación de PCB no conocen bien las propiedades del FR-4. Muchos no saben cuáles son sus ventajas sobre otros sustratos de PCB, como el FR-1, el G-10, la alúmina y el PTFE. Muchos desconocen sus ventajas frente a otros sustratos de PCB, como FR-1, G-10, alúmina y PTFE.
El objetivo de este post es arrojar luz sobre las propiedades y los casos de uso del FR-4 como material base para placas de circuito impreso. Esperamos que este debate le ayude a tomar decisiones con conocimiento de causa.
¿Qué es FR-4?
FR-4, que se refiere tanto a una calificación estándar como a un nombre, es un material laminado epoxi reforzado con vidrio. FR significa ignífugo y 4 se refiere a la clasificación del material. Se trata de un material compuesto formado por una capa de fibra de vidrio entretejida en una resina epoxi rígida y resistente a las llamas.
El FR-4 se utiliza ampliamente como material de sustrato o, en otras palabras, como columna vertebral aislante primaria de las placas de circuitos impresos. El bajo coste, la alta resistencia dieléctrica y la resistencia a la humedad son algunas de las notables ventajas del FR-4. Estas características convierten al FR-4 en el material de sustrato preferido para placas de circuitos impresos. Un circuito sofisticado puede imprimirse en una o en ambas caras de una placa FR-4.
Factores a tener en cuenta al seleccionar el espesor de las placas de circuito impreso FR-4
Un ingeniero eléctrico que trabaje en un proyecto de PCB que implique el uso de una placa laminada debe especificar el grosor de la placa. Dependiendo de la configuración de la placa, su grosor puede medirse en pulgadas, milímetros o milésimas de pulgada. Sin embargo, suele oscilar entre 10 y 3 pulgadas.
Los aparatos electrónicos son cada vez más pequeños. Por eso, el grosor de una placa de circuito impreso determina en gran medida el tamaño, el diseño, la precisión y el atractivo estético de un gadget. He aquí algunos factores que hay que tener en cuenta a la hora de determinar el grosor de una placa laminada:
Espacio
Más fino Placas FR-4 son más demandados que los gruesos. Y la razón es obvia: aparatos como los accesorios Bluetooth y los conectores USB son cada vez más pequeños. Como ahorran espacio, las placas FR-4 más pequeñas y finas son preferibles incluso para proyectos de mayor envergadura.
Conexiones
Un diseño de PCB puede ser de una o dos caras. Un conector de borde, que conecta las dos caras, es necesario para un diseño de dos caras. Un problema con la parte de acoplamiento del conector puede dañar la placa de circuito impreso. Esta es una de las razones por las que el material de un circuito no se elige hasta que el circuito ha sido diseñado.
Flexibilidad
Dependiendo de la aplicación concreta, la flexibilidad de una placa FR-4 puede o no ser una característica deseable. Las placas más delgadas tienden a ser más flexibles. Un producto destinado a ser flexionado o sometido a esfuerzos con regularidad requiere una placa flexible. Los dispositivos utilizados en los sectores de la automoción y la medicina suelen requerir placas flexibles.
Sin embargo, cuando se trata del proceso de fabricación de placas de circuito impreso, la flexibilidad suele ser una característica indeseable. Esto se debe en parte a que complica el montaje. Una máquina de soldar puede hacer que una placa flexible se doble y se suelde parcialmente. Esta flexión puede dañar las conexiones y los componentes colocados en la placa.
Diseño
El grosor de una placa FR-4 debe determinarse en función de los requisitos de diseño de la placa. Las placas finas no son las mejores para todo tipo de proyectos. Por ejemplo, un diseño con ranuras requiere una placa relativamente gruesa.
Adaptación de impedancias
En una placa de varias capas, el grosor es importante porque la propia placa sirve de condensador. El dieléctrico, que determina en cierta medida la capacitancia, viene determinado por el grosor de la placa.
Compatibilidad de los componentes
Muchos componentes, como algunos de agujero pasante, sólo son compatibles con un determinado rango de espesores. Por eso, la compatibilidad de los componentes es un factor importante a tener en cuenta a la hora de determinar el grosor de la placa de circuito impreso FR4.
Peso
El peso de una placa de circuito impreso depende en gran medida del grosor de la placa FR-4. Los fabricantes de productos más ligeros prefieren placas finas. Los fabricantes de productos más ligeros prefieren placas finas.
¿Es el FR-4 el material adecuado para su proyecto de placas de circuito impreso?
Para la mayoría de las aplicaciones electrónicas, el sustrato FR4 es la elección por defecto. La popularidad del FR-4 se debe a su resistencia, bajo coste y fiabilidad. Pero no es el mejor material para todas las aplicaciones. Los laminados de alta frecuencia son preferibles para diseños de alta frecuencia.
He aquí algunos factores clave a tener en cuenta a la hora de elegir entre el material FR4 y un laminado de alta frecuencia:
- Coste: El FR-4 es más barato que los materiales de alta frecuencia. Por lo tanto, si el coste es una preocupación para un fabricante, FR-4 es definitivamente una mejor opción que un laminado de alta frecuencia.
- Pérdida de señal: Debido a un mayor factor de disipación, el FR-4 tiene una mayor pérdida de señal, lo que supone un problema en situaciones de alta frecuencia. Si se utiliza FR-4 en una aplicación de este tipo, habrá más pérdida de señal en el circuito. Mientras que el FR-4 tiene un Df de alrededor de 0,020, un laminado típico de alta frecuencia tiene un Df de alrededor de 0,004.
- Estabilidad de la impedancia: Para diseños de alta frecuencia y circuitos más grandes, el rendimiento depende de la estabilidad de la impedancia. Los laminados de alta frecuencia son preferibles para mantener la estabilidad de la constante dieléctrica. Este valor, a su vez, determina la estabilidad de la impedancia, ya que en el caso del FR-4, al variar la temperatura dentro de la placa, el valor Dk varía en toda la zona.
- Gestión de la temperatura: Los cambios de temperatura afectan a la constante dieléctrica del material base. La magnitud depende del coeficiente térmico de la constante. Por cada grado centígrado de cambio de temperatura, el FR-4 tiene un coeficiente térmico de unas 200 partes por millón. En los laminados de alta frecuencia, esta cifra es de unas 40 partes por millón. Aunque esta diferencia no parece tan grande, es un factor importante. Importa sobre todo para las placas destinadas a utilizarse en entornos relativamente calurosos.
- Constante dieléctrica: en algunas aplicaciones, la constante dieléctrica de la placa de circuito puede ser una característica crucial. En un circuito de alta frecuencia, el tamaño de las líneas de transmisión depende en gran medida de la constante dieléctrica. El tamaño del circuito es proporcional al tamaño de las líneas de transmisión. Un material con una constante dieléctrica alta es preferible para una placa más pequeña. Mientras que los valores Dk de los materiales de alta frecuencia oscilan entre 6,15 y 11, el FR-4 tiene un valor Dk de 4,5 aproximadamente. Este bajo valor Dk puede, en algunos casos, hacer que el FR-4 no sea adecuado para una placa de circuito impreso pequeña.
- Entorno operativo: A la hora de elegir el material base de un circuito, hay que tener en cuenta el entorno. Los laminados de alta frecuencia ofrecen un mayor nivel de resistencia a la temperatura y la humedad. Esa es una de las razones por las que algunos diseñadores de gama alta prefieren los laminados de alta frecuencia.
Conclusión
Considere todos los factores relevantes a la hora de elegir el material base de una placa de circuito y determinar su grosor. Aunque el FR-4 tiene ventajas sobre los laminados de alta frecuencia, no es un gran material de sustrato para todo tipo de aplicaciones.
En la mayoría de los casos, FR-4 le resultará bastante cómodo porque es barato y está disponible en una amplia gama de tamaños y grosores. Pero es importante sopesar las ventajas y los inconvenientes, y elegir el material de base de placa de circuito adecuado para su proyecto. Esperamos que ahora esté mejor preparado para tomar una decisión.