¿Es FR4 el mejor material para su diseño de PCB?

En el mundo de la electrónica y la fabricación de placas de circuito impreso (PCBs), elegir el material sustrato adecuado para su diseño puede marcar la diferencia entre el éxito y el fracaso. El sustrato FR4 es ampliamente utilizado en la industria, gracias a su excelente resistencia mecánica, buen aislamiento eléctrico y gran tolerancia al calor y a los productos químicos.

En este artículo, exploraremos las propiedades y ventajas del sustrato FR4, su uso en las PCBs, así como algunas de sus limitaciones y consejos prácticos para seleccionar el material FR4 adecuado para su proyecto.

¿Qué es el material de sustrato FR4?

El sustrato FR4 (por sus siglas en inglés Flame Retardant 4) significa "retardante de llama 4", es un material diseñado específicamente para resistir la propagación del fuego y cumple con ciertos estándares de seguridad contra incendios. Por ello, se emplea en entornos donde la seguridad contra incendios es una preocupación, como en sistemas electrónicos o eléctricos. El FR4 actúa como una medida de seguridad adicional frente a riesgos de accidentes relacionados con el fuego.

Es un sustrato ampliamente se utiliza en la fabricación de componentes eléctricos y en la fabricación de PCBs. Está compuesto por fibra de vidrio, uno de sus elementos, que proporciona resistencia mecánica, y junto con resina epoxi, la combinación de estos dos materiales actúa como una matriz aislante. El sustrato FR4 ofrece un excelente aislamiento eléctrico que reduce los riesgos de cortocircuitos y aumenta la transmisión confiable de señales, también ofrece una resistencia mecánica que protege los componentes eléctricos de la placa. Además, el FR4 es resistente al calor y a los productos químicos, lo que lo hace adecuado para diversas aplicaciones. El FR4 también es conocido por su durabilidad y  resistencia mecánica, lo que proporciona a la placa una estabilidad dimensional y una excelente resistencia a productos químicos y a la humedad.Se utilizan ampliamente debido a su alto rendimiento y rentabilidad. Ofrecen una excelente aislación eléctrica, lo que reduce el riesgo de cortocircuitos y mejora la transmisión confiable de señales. Gracias a su estabilidad dimensional, el FR4 permite que el sustrato mantenga su forma bajo diferentes condiciones, lo cual es esencial para el montaje adecuado de los componentes eléctricos en las placas de circuito impreso.  

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（Fuente/Créditos de la imagen: Jichangsheng Technology）

¿Cuáles son las propiedades del sustrato FR4?

Son las propiedades del sustrato FR4 las que lo hacen tan útil y único. Entre todas las propiedades, a continuación, destacamos algunas de las más relevantes:

Buenas propiedades dieléctricas: El FR4 ofrece alta resistencia al flujo de corriente eléctrica, por la alta resistencia, se minimizan los problemas de pérdida de señal y la interferencia entre las pistas del circuito.

Resistencia a altas temperaturas: El FR4 puede soportar temperaturas relativamente altas, comúnmente hasta 130°C y 140 °C. Esta propiedad permite el uso en dispositivos sometidos a condiciones térmicas.

Resistencia química: El FR4 presenta una buena resistencia a muchos productos químicos, incluidos diferentes ácidos que se encuentran comúnmente durante los procesos de fabricación electrónica, protegiendo así el sustrato frente a daños durante dichas operaciones.

.Retardancia de llama: Una de sus principales propiedades es su retardancia de llama, que permite resistir la ignición y no propagar el fuego en caso de un incidente. Es crucial para fines de seguridad en dispositivos electrónicos.

Resistencia mecánica: Gracias a su base de fibra de vidrio, el FR4 proporciona una resistencia mecánica y estabilidad dimensional, evitando que el sustrato se doble o deformaciones durante elensamblaje de la PCB.

Aislamiento eléctrico: Ofrece un excelente aislamiento eléctrico, lo que lo hace ideal para dispositivos que requieren aislamiento entre elementos conductores.

Mecanizabilidad: El FR4 presenta una buena capacidad de mecanizado, lo que significa que procesarse con facilidad. Puede ser perforado, fresado y grabado, lo que lo convierte en una opción para fabricar diseños complejos de PCB.

Compatibilidad: Es mayormente compatible con los procesos comunes de fabricación de PCBs, como perforación, soldadura, galvanizado y montaje de componentes eléctricos. Gracias a esto, el material puede mecanizarse fácilmente durante la producción.

Estabilidad dimensional: El FR4 exhibe cambios dimensionales mínimos durante condiciones climáticas extremas, como alta humedad o temperaturas variables, lo que lo convierte en un material fiable para diversos dispositivos.

Disponibilidad: El FR4 está ampliamente disponible en el mercado y también se puede adquirir en línea, uno de los sitios confiables es JLCPCB, donde podrá solicitar y obtener sus productos deseados con entrega segura y rápida directamente en su hogar. Esta accesibilidad facilita a los diseñadores la selección y el trabajo con este material para sus proyectos.

Conductividad térmica: La conductividad térmica es la propiedad del FR4 que le permite disipar el calor generado por los componentes eléctricos.

Respeto al medio ambiente: Gracias a su retardancia de llama y durabilidad, el sustrato FR4 generalmente se considera una opción respetuosa con el medio ambiente.

¿Cómo se utiliza el FR4 en las PCBs?

Hay varios pasos involucrados en la fabricación de una PCB con sustrato FR4. De forma general, los fabricantes utilizan el FR4 como base para proporcionar una plataforma resistente sobre la que se montan los componentes electrónicos. Se añaden pistas de cobre en las láminas del FR4 que permiten la conducción eléctrica. Las láminas de FR4 actúan como una capa aislante entre las pistas de cobre, garantizando una transmisión de señal adecuada.

A continuación, veremos paso a paso cómo se fabrica una PCB utilizando el sustrato FR4.

Paso 1 Diseño del circuito:

El procedimiento de diseño implica diseñar el patrón del circuito de la PCB a través de software especializado en el que se especifica la colocación de los diferentes componentes eléctricos. Se realiza todo el diseño necesario en este paso.

Paso 2 Preparación de materiales:

Este paso implica la preparación de materiales antes de la fabricación de la placa. Las láminas de FR4 se seleccionan de acuerdo con el grosor, otras especificaciones técnicas requeridas por el diseño.

Paso 3 Material del sustrato:

Se preparan las láminas de FR4, se limpian y tratan para asegurar una buena adherencia. Para mejorar la calidad, pueden estar involucrados muchos procesos.

Paso 4 Cobre:

Se añade cobre a las láminas de FR4 para crear caminos conductores, lo que permite la distribución de energía y la transmisión de señales eléctricas en el circuito.

Paso 5 Transferencia:

Después de añadir cobre a las láminas de FR4, el siguiente paso es transferir el diseño del PCB. Este proceso se realiza mediante una técnica fotográfica que utiliza luz ultravioleta.

Paso 6 Grabado del cobre:

Se elimina el cobre no deseado de la placa y el cobre deseado permanece intacto.

Paso 7 Mecanizado:

Se perforan agujeros en el FR4 para interconectar varias capas de la PCB. Los agujeros se recubren con una fina capa de cobre para la conductividad eléctrica y la soldadura. Se añade una máscara de soldadura sobre las pistas de cobre donde sea necesario, con el fin de protegerlas de la oxidación y mejorar la aislamiento.

Paso 8 Acabado superficial:

Para facilitar la soldadura y evitar la oxidación, la PCB se trata con un acabado superficial.

Paso 9 Añadir marcas:

Se imprimen marcas como el logotipo u otras marcas importantes en la PCB. Estas marcas se conocen comúnmente como serigrafía.

Paso 10 Pruebas:

La placa de circuito impreso fabricada pasa por varias pruebas para garantizar su funcionamiento, calidad y funcionalidad.

Esto completa el proceso de fabricación de las PCBs. Es importante recordar que distintos fabricantes pueden seguir procedimientos diferentes según el tipo de placa de circuito impreso. Por lo tanto, los pasos no necesariamente serán siempre los mismos.

¿Cuándo el FR4 no es el mejor material para su placa?

Puede surgir una pregunta sobre cuándo el sustrato FR4 no es bueno para su dispositivo o cuándo no es la mejor opción para sus placas. Hasta ahora hemos analizado sus muchas ventajas, ¿Cuáles son sus limitaciones? Aquí hay algunas razones por las que el sustrato FR4 podría no ser la mejor opción para su placa.

Ambientes hostiles: Sí que los sustratos FR4 son resistentes a productos químicos y a temperaturas altas, pero cuando el límite supera las capacidades del sustrato, por ejemplo, cuando se expoen a productos químicos corrosivos, puede ya no cumplir con sus expectativas y es necesario encontrar materiales alternativos.

Altas frecuencias: El sustrato FR4 no funciona si su dispositivo requiere señales de muy alta velocidad o frecuencias en el rango de microondas. Otras opciones de sustrato, como sustratos basados en cerámica serían mejores que un sustrato FR4.

Altas temperaturas: El sustrato FR4 ofrece una resistencia limitada a la temperatura, por lo que si su dispositivo necesita operar en un ambiente muy caliente, el FR4 no es la mejor opción, ya que no puede funcionar en un ambiente extremadamente caliente.

Diseños delgados: El sustrato FR4 no es la mejor opción para diseños de PCB muy delgadas o muy pequeños. En estos casos, es preferible utilizar alternativas como las placas de circuito impreso flexibles.

Estas son algunas de las razones por las que el sustrato FR4 podría no ser la opción más adecuada para su placa. Estas situaciones también pueden variar en función del diseñador del PCB, así como de los requisitos específicos y las distintas especificaciones técnicas, las cuales pueden imponer limitaciones que hagan que el FR4 no resulte adecuado.

Consejos para seleccionar el sustrato FR4 adecuado

Grosor: El grosor de las láminas de FR4 influye directamente en las propiedades mecánicas de la placa. Si necesita una mayor resistencia mecánica, se recomienda el uso de láminas más gruesas, o si necesita un diseño más compacto, en cuyo caso convendría utilizar láminas de menor grosor.

Temperatura de transición vítreo (Tg): La temperatura de transición vítreo es una propiedad fundamental del sustrato FR4. Se trata del punto en el que el material pasa de un estado rígido a uno flexible. Debe elegir un sustrato con una temperatura de transición vítrea lo suficientemente alta para evitar problemas de rendimiento u otros inconvenientes

Peso del cobre: El peso del cobre determina la capacidad de conducción de corriente del diseño. Un peso de cobre más pesado (más grueso) se utiliza para una mejor conductividad, pero también hace que el sustrato sea más costoso y puede dificultar el proceso de fabricación. Un peso de cobre más ligero  (más fino) reduce la conductividad, pero el sustrato resulta más económico.

Retardancia a la llama: Asegúrese de seleccionar el sustrato FR4 que cumpla con los estándares de la industria de seguridad para garantizar el cumplimiento de las normas de seguridad y regulaciones.

Consideración de costes: El coste puede variar en función de las especificaciones del sustrato. así que puede seleccionar un sustrato más económico si su trabajo no es tan profesional y optar por los más costosos si su trabajo sea profesional.

Soporte del proveedor: Asegúrese de mantener un contacto directo con el proveedor que le ha suministrado el sustrato, ya que es quien mejor puede asesorarle sobre la compatibilidad del mismo con el diseño específico de su PCB.

En resumen, el sustrato FR4 es una opción excelente para sus diseños de PCB, ya que ofrece un rendimiento fiable y una buena relación calidad-precio. Gracias a sus propiedades —como la resistencia dieléctrica y química, la resistencia al fuego, la solidez mecánica y la estabilidad dimensional— se ha convertido en un material imprescindible en la industria electrónica. No obstante, es fundamental tener en cuenta sus limitaciones en entornos químicamente agresivos, temperaturas elevadas o diseños especialmente delgados al momento de seleccionar el material más adecuado.

Siguiendo algunas recomendaciones clave —como considerar el grosor, la temperatura de transición vítrea, el peso del cobre, la resistencia a la llama, el coste y el soporte del proveedor— podrá sacar el máximo partido al sustrato FR4 y alcanzar una fabricación de PCB de alta calidad.

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