Grosor de PCB para placas de 1 a 6 capas: Estándares, tabla de conversión de onzas a milímetros y guía de selección.

Aprenda sobre el grosor de la PCB

El grosor de la placa de circuito impreso (PCB) se refiere a la altura total de la placa, desde su superficie superior hasta la inferior. Se determina considerando la altura del sustrato y otras capas, como el cobre, así como otros recubrimientos, como la máscara de soldadura y la serigrafía. El grosor de la PCB se suele medir en milímetros o milésimas de pulgada (mils).

El grosor más común de la placa de circuito impreso (PCB) es de 1.57 mm o 62 milésimas de pulgada. Su tolerancia típica es de aproximadamente ±10 % o ±0.1 mm, dependiendo del material y la configuración de las capas. El estándar de 1.57 mm se ha convertido en la norma industrial debido a razones históricas, ya que la PCB se fabricaba manualmente sin programas de diseño asistido por ordenador. Cuando la electrónica evolucionó hacia la tecnología de transistores y circuitos integrados, las placas se diseñaban mediante técnicas de prototipado en bancos de madera, y la madera de la superficie se retiraba y se sustituía por plástico baquelita.

Si bien el grosor de 1.57 mm se ha convertido en el estándar más común, no es la única alternativa que ofrecen los fabricantes, ya que existe una amplia gama de opciones de grosor estándar. Otros incrementos de grosor estándar suelen presentarse como múltiplos de 1 mm o 1.5 mm, que también están disponibles en forma de apilamiento por parte de las empresas fabricantes, incluidos los fabricantes de PCB. Los ingenieros de diseño mecánico que utilizan sistemas métricos encontrarán que las unidades redondas de múltiplos de 1 mm son una buena opción para sus proyectos de diseño, ya que también cuentan con tolerancias familiares.

Ciertos tipos de productos y diseños de PCB no se ajustan a los espesores de apilamiento estándar. Algunos ejemplos son las PCB flexibles y las PCB rígido-flexibles, las PCB con núcleo cerámico, las PCB con núcleo metálico o con respaldo metálico, las PCB con capas dieléctricas gruesas en los planos posteriores, las PCB con numerosos dieléctricos laminados secuencialmente, la electrónica impresa con tinta y las PCB fabricadas mediante manufactura aditiva. En teoría, estos tipos de productos podrían tener cualquier espesor, siempre que el material para producirlos esté disponible comercialmente. En el extremo más delgado de la escala se encuentran la electrónica impresa con tinta y las PCB flexibles, que suelen utilizar sustratos delgados como material base. En el extremo opuesto se encuentran los planos posteriores, que a menudo tienen espesores muy grandes, especialmente cuando se utilizan conectores de placa secundaria de alta densidad.

Tabla de conversión de espesores de cobre (oz-mm)

El peso del cobre en la producción de placas de circuito impreso (PCB) se suele expresar en onzas. El espesor que se obtiene al extender 1 onza (o 28.35 gramos) de cobre sobre un área de 1 pie cuadrado es de 1.37 milésimas de pulgada o 0.0348 mm. Esta convención surgió de la forma en que los proveedores de láminas de cobre se referían a sus productos.

La conversión entre el peso del cobre y su espesor real sigue una relación matemática consistente para todos los valores. Aquí se muestra la tabla de conversión que representa el espesor del cobre en diferentes unidades de medida:

La conversión entre estas medidas requiere fórmulas sencillas. Para convertir el espesor en milésimas de pulgada a peso de cobre: ​​Peso del cobre (oz) = Espesor (milésimas de pulgada) / 1.37. A la inversa, para convertir el peso del cobre a espesor en milésimas de pulgada: Espesor (milésimas de pulgada) = Peso del cobre (oz) × 1.37.

La mayoría de las placas de circuito impreso (PCB) utilizan un grosor de cobre de 1 onza como especificación estándar. Por ejemplo, si necesita determinar un grosor de 4 onzas, multiplique el valor base de 1 onza por cuatro: 1.37 milésimas de pulgada × 4 = 5.48 milésimas de pulgada. Este método de cálculo se aplica a cualquier valor de grosor de cobre que encuentre en sus diseños.

Grosor estándar común de la placa de circuito impreso

Las especificaciones de la industria definen rangos de espesor en función del número de capas de la placa de circuito impreso (PCB). Si bien 1.57 mm sigue siendo un espesor ampliamente utilizado independientemente del número de capas, cada placa tiene sus propios rangos de espesor.

Espesor de PCB de una sola capa

Una placa de circuito impreso (PCB) de una sola capa tiene un número limitado de opciones de material de núcleo, lo que restringe las posibilidades en cuanto al grosor de la placa. Una PCB de muy bajo grosor solo tendrá una capa de núcleo; por lo tanto, solo podrá tener un máximo de dos capas de cobre. Para la mayoría de las placas de circuito impreso, el grosor mínimo alcanzable es de 0.2 mm. Sin embargo, las aplicaciones ultrafinas permiten fabricar placas aún más delgadas.

Espesor de PCB de 2 capas

Los espesores más comunes para PCB de 2 capas oscilan entre 0.6 y 1.6 mm, aunque también se pueden fabricar con espesores mayores, como 2.0 mm y 2.4 mm. La mayoría de los sustratos para PCB tienen un espesor final de 1.6 mm (0.063 pulgadas) para placas de 2, 4 y 6 capas. Una placa típica de 2 capas con un espesor final de entre 0.062" y 0.063" cuenta con un núcleo de 0.057" y láminas de cobre en las capas exteriores, cada una de 0.0014" de espesor.

Espesor de PCB de 4 capas

Las estructuras de cuatro capas suelen tener un espesor de entre 0.8 mm y 2.4 mm. El espesor estándar sigue siendo de 1.6 mm, aunque 1.2 mm es ampliamente utilizado. En una estructura típica de cuatro capas de 1.6 mm, la capa central puede tener un espesor de entre 0.8 mm y 1.0 mm, y el espesor restante se compone de dos capas de preimpregnado (por ejemplo, 0.4 mm + 0.4 mm o 0.3 mm + 0.3 mm). Por ejemplo, una estructura de 0.062" puede utilizar un núcleo de 0.037" con dos capas de preimpregnado de 0.0091", o un núcleo de 0.047" con dos capas de preimpregnado de 0.0075". Los espesores reales varían según el peso del cobre, la impedancia y las capacidades de la fábrica.

Espesor de PCB de 6 capas

El grosor de una PCB de 6 capas suele oscilar entre 0.8 mm y 3.2 mm, siendo 1.6 mm el estándar más común. Los distintos grosores se adaptan a diferentes aplicaciones: de 0.8 mm a 1.0 mm para dispositivos delgados y ligeros como portátiles y tabletas; 1.2 mm para carcasas y módulos compactos; 1.6 mm para placas de uso general; 2.0 mm para componentes más pesados ​​o con mayor resistencia mecánica; y 2.4 mm para aplicaciones que requieren mayor rigidez o aislamiento de alto voltaje. Las tolerancias de grosor de las PCB generalmente siguen los estándares de la industria: ±10 % para placas de 1.0 mm o más de grosor, y ±0.1 mm para placas de menos de 1.0 mm de grosor. Si bien las placas más delgadas utilizan menos material, no siempre son más económicas. Las placas extremadamente delgadas (por ejemplo, de menos de 0.8 mm) requieren un control de proceso más estricto y tienen mayores tasas de desperdicio, lo que puede aumentar el coste. Sin embargo, los espesores comunes como 1.0 mm y 1.2 mm suelen tener el mismo precio que el estándar de 1.6 mm.

Importancia del espesor de la placa de circuito impreso

Seleccionar el espesor adecuado afecta a múltiples dimensiones del diseño, más allá de las consideraciones mecánicas básicas. Las decisiones sobre el espesor que se tomen repercuten en variables eléctricas, térmicas y de producción.

Rendimiento de los dispositivos

La integridad de la señal también se vuelve cada vez más sensible al grosor cuando se trabaja con altas velocidades. Las placas gruesas garantizan una mayor separación entre capas y afectan la gestión de la impedancia. La necesidad de una impedancia uniforme, generalmente de 50 ohmios, al trabajar con altas velocidades es importante para evitar ondas reflejadas y corrupción de datos. El desajuste de impedancia se produce por cambios en el grosor del dieléctrico, lo que provoca distorsión de la señal.

Las propiedades relacionadas con la estabilidad mecánica varían drásticamente según el grosor. Un mayor grosor en las placas de circuito impreso mejora su resistencia estructural, lo que las hace ideales para la fabricación de placas de mayor tamaño, conexiones que requieren inserciones constantes y condiciones de funcionamiento extremas, comunes en las industrias automotriz, industrial y aeroespacial. Las placas de circuito impreso delgadas ofrecen mayor flexibilidad y menor peso, por lo que se utilizan en la fabricación de dispositivos pequeños y placas flexibles/rígidas. Si bien un grosor de 1.6 mm ofrece estabilidad frente a la flexión, las placas delgadas pueden agrietarse fácilmente sin protección.

Proceso de manufactura

Las placas de circuito impreso (PCB) estándar de 1.6 mm de espesor siguen siendo las más económicas y rápidas de fabricar; las PCB de espesor personalizado aumentan el costo y el tiempo de producción. Las placas de circuito impreso más gruesas requieren herramientas más precisas para perforar los orificios para las vías y los orificios pasantes. Los espesores de panel no uniformes o los valores fuera de las tolerancias esperadas generarán una presión no uniforme sobre las placas durante la laminación, lo que provocará la separación de las laminaciones o una mala adhesión entre capas. Los perfiles de soldadura por reflujo deben ajustarse a las diferencias de espesor entre las placas de circuito impreso; por ejemplo, las condiciones de reflujo para una placa de circuito impreso de 2.0 mm de espesor requerirán un período de precalentamiento más prolongado que las de una placa de circuito impreso de 1.0 mm de espesor.

La disipación de calor

Las placas más gruesas disipan más calor, lo que beneficia a las aplicaciones de electrónica de potencia. Una placa de 2.0 mm de grosor puede reducir la temperatura de los componentes en comparación con alternativas más delgadas, siempre que los demás factores permanezcan constantes. El grosor del cobre se correlaciona directamente con el rendimiento térmico. Aumentar el cobre de la capa interna de 1 oz a 2 oz puede reducir el aumento de temperatura de 50 °C a 30-35 °C por encima de la temperatura ambiente en componentes que disipan potencia.

Características y aplicaciones de placas de circuito impreso de diferentes espesores

Las diferentes categorías de espesor responden a requisitos de aplicación distintos, en función de las limitaciones de espacio, las demandas de energía y las condiciones ambientales.

PCB ultradelgada

Las placas ultrafinas se fabrican con un grosor de 0.2 a 0.4 mm utilizando materiales flexibles como las poliimidas. Como resultado, garantizan el máximo nivel de flexibilidad posible. Son ideales para su uso en dispositivos portátiles, dispositivos médicos y microelectrónica, ya que ocupan un espacio mínimo. Algunas placas tienen tan solo 0.1 mm de grosor. Los teléfonos inteligentes, las tabletas y los dispositivos portátiles se benefician de las placas ultrafinas para ahorrar espacio y reducir su peso. Por ejemplo, en los relojes inteligentes, las placas tienen un grosor de 0.4 mm. Asimismo, los dispositivos médicos y de diagnóstico utilizan placas delgadas para su integración en catéteres, marcapasos y endoscopios. Sin embargo, estas placas delgadas pueden ser vulnerables a la presión de flexión.

Placas de circuito impreso delgadas de gama media

Los grosores intermedios de 1.0 mm a 1.2 mm son adecuados para aplicaciones que requieren una durabilidad moderada y entre 4 y 6 capas. Los dispositivos de control industrial y de comunicación suelen utilizar estas placas. Ofrecen una mayor estabilidad mecánica en comparación con las opciones más delgadas, manteniendo al mismo tiempo una compacidad razonable.

PCB más gruesos

Las placas de circuito impreso de cobre grueso presentan un espesor de cobre que oscila entre 100 y 500 μm o más, definidas como placas con un espesor de cobre de 70 μm (2 oz) o superior. Estas placas son ideales para sistemas de gestión de baterías para automóviles, convertidores de fuente de alimentación, inversores, aviónica aeroespacial, inversores solares y automatización industrial. Su alta capacidad de corriente y su eficaz disipación de calor las hacen idóneas para sistemas de energía renovable y computación de alto rendimiento en centros de datos.  

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Factores clave que afectan el espesor de la PCB

Diversas variables de ingeniería se combinan para determinar las dimensiones finales de la placa. Comprender cómo contribuye cada componente ayuda a tomar decisiones de diseño fundamentadas.

Configuración de apilamiento de capas

La arquitectura de apilamiento determina cómo se ensamblarán los núcleos, las capas de cobre y el preimpregnado. Entre los dos diseños, el asimétrico y el simétrico de 4 capas, la diferencia tanto en el grosor como en la estabilidad de la placa puede ser considerable.

Número de capa

Las capas adicionales aumentan las dimensiones generales. Cada capa añadida requiere material de núcleo o preimpregnado adicional, lo que incrementa directamente el grosor total. Pasar de 2 a 4 capas suele añadir entre 0.4 mm y 0.8 mm.

espesor del sustrato

El material base constituye la estructura de su placa. Los sustratos FR-4 vienen en distintos grosores, y cada fabricante ofrece opciones específicas que limitan las posibilidades de grosor total.

Espesor del preimpregnado

Al laminarse, las capas de preimpregnado ayudan a unir los núcleos. Los preimpregnados se ofrecen en diferentes grosores, lo que permite ajustar con precisión el espaciado entre las capas de cobre y, por lo tanto, controlar la impedancia.

Espesor de la máscara de soldadura

La máscara de soldadura suele añadir entre 0.5 y 1.0 milésimas de pulgada a cada lado. Aunque esta cantidad es muy pequeña, se trata de un recubrimiento que aumenta las dimensiones finales, por lo que debe tenerse en cuenta al calcular las tolerancias.

Espesor de cobre de PCB

El peso del cobre afecta a las dimensiones generales. El cobre estándar de 1 onza añade 1.37 milésimas de pulgada por capa, mientras que el cobre de 2 onzas duplica esta contribución, lo que repercute en el grosor total.

Requisitos de señal e impedancia

El funcionamiento de señales de alta velocidad requiere un espaciado específico entre las capas dieléctricas para mantener el valor mínimo de impedancia especificado por cada capa de señal. A menudo, el espaciado mínimo necesario entre el área de señal y los planos de referencia viene determinado por estos requisitos.

Entorno operativo

Las características mecánicas robustas suelen estar asociadas a un mayor grosor del material debido a la necesidad de soportar un entorno hostil, mientras que los dispositivos electrónicos portátiles requieren materiales más delgados para reducir el peso y optimizar el espacio.

Restricciones específicas del diseño

Sin embargo, algunos diseños de PCB presentan limitaciones que influyen en la elección del grosor. Restricciones como la altura de los componentes, los conectores y el tipo de vía (ciega, enterrada, etc.) pueden limitar el rango de grosores posibles. Además, algunos diseños que requieren una mayor densidad de componentes pueden necesitar PCB más delgadas, mientras que aquellos con componentes voluminosos requieren PCB más gruesas.

Desafíos en el grosor de las placas de circuito impreso

La fabricación de placas fuera de las tolerancias especificadas genera problemas que van más allá de simples errores dimensionales. La deformación y las implicaciones en los costos representan los principales obstáculos a los que se enfrentan diseñadores y fabricantes.

Problemas de deformación

La deformación se refiere a la flexión y torsión de las placas respecto a su forma recta natural. La principal causa de las tensiones térmicas que se desarrollan durante las distintas actividades de producción, como la soldadura y el curado, son las diferentes tasas de expansión de los materiales. En el caso de la soldadura por reflujo a 260 °C, la diferencia en los materiales utilizados para los sustratos FR-4 genera tensiones internas debido a las distintas tasas de expansión. El desequilibrio en el cobre también puede provocar una mayor deformación, ya que el lado con mayor contenido de cobre genera tasas de expansión diferentes.

Cualquier deformación afecta significativamente el proceso de producción. Incluso una deformación de tan solo 0.1 mm en una placa de 100 mm de ancho dificulta la soldadura y el ensamblaje de los componentes. En el caso de los componentes BGA, cualquier deformación superior al 0.75 % de la diagonal de la placa provoca defectos de ensamblaje. Las máquinas automatizadas de colocación de componentes requieren superficies planas, por lo que cualquier deformación conlleva la desalineación de los componentes.

Tolerancia y costos ocultos

Las desviaciones de la tolerancia de espesor requerida generan altos costos económicos. La falta de conformidad en términos de calidad conlleva un aumento en los costos de mano de obra y materiales. Si se producen 100 unidades a $500 y la mitad se rechazan debido a la tolerancia, el costo de producción de cada unidad se duplica. La falta de conformidad puede ocasionar retrasos en la línea de producción en sectores como el automotriz o el aeroespacial, lo que puede resultar en multas. Proyectos que inicialmente cuestan $10,000 pueden terminar costando $15,000.

Ignorar las tolerancias resultará en una menor productividad. La productividad en el proceso de producción normal suele rondar el 95%, mientras que ignorar las tolerancias la reducirá hasta un 80%. Por ejemplo, en proyectos que implican la producción de 1,000 unidades, reducir la productividad en un 15% supondría una disminución de 150 unidades.

Cómo elegir el grosor adecuado para la placa de circuito impreso (PCB)

Equilibrar los requisitos de diseño contrapuestos exige un proceso de selección metódico. Seguir un enfoque estructurado garantiza que la elección del grosor sea compatible tanto con los objetivos de rendimiento como con las realidades de fabricación.

Definir las necesidades de la aplicación y del rendimiento.

Primero, determine las especificaciones de rendimiento, el caso de uso y la carga requerida para los componentes de su placa. Para la electrónica de consumo, se recomienda usar cobre de 1.6 mm, ya que ofrece un buen equilibrio entre eficiencia de fabricación y durabilidad. Las aplicaciones de alta potencia requieren cobre más grueso, como 2 oz o más, para garantizar una disipación de calor eficaz. Por otro lado, las aplicaciones de alta frecuencia requieren placas de circuito impreso delgadas para aumentar la velocidad y reducir la pérdida de transmisión.

Evaluar las especificaciones de componentes y ensamblajes.

Los conectores de borde de placa requieren un grosor específico para cada modelo. El conector no influye significativamente en el diseño, pero los ajustes deben tener en cuenta los cambios en la placa. Verifique la compatibilidad con los equipos de ensamblaje automatizados, ya que algunas líneas tienen limitaciones en el grosor de la placa.

Evaluar la integridad de la señal y la impedancia.

El grosor de la placa de circuito impreso (PCB) puede afectar la impedancia de las pistas, un factor importante en diseños de alta velocidad (o radiofrecuencia). El material dieléctrico puede mejorar la integridad de la señal, pero un dieléctrico más grueso requerirá pistas más anchas para mantener una impedancia controlada.

Revisión de la fabricabilidad y los estándares

La mayoría de las fábricas procesan sin dificultad los espesores típicos, como 1.0 mm y 1.6 mm. Sin embargo, los tableros ultrafinos (menos de 0.40 mm) y los extragruesos (más de 2.0 mm) pueden requerir maquinaria especializada. Por ello, el espesor de 1.60 mm es la opción más rentable, ya que es de fácil acceso y se puede producir en una línea de producción eficiente.

Optimizar costes y plazos de entrega

Los espesores estándar requieren plazos de entrega más cortos, ya que el material está disponible de inmediato. Los espesores no estándar implican mayores costos de material e incluso pueden generar gastos de instalación. Se recomienda mantener los espesores estándar para evitar gastos innecesarios.

Conclusión

La elección del grosor de la PCB influye en todos los aspectos del proceso de diseño, incluyendo el rendimiento de la señal, el rendimiento térmico, los costes de fabricación y la eficiencia del ensamblaje. Como hemos visto anteriormente, un grosor de 1.6 mm es suficiente para la mayoría de las aplicaciones, además de ofrecer flexibilidad cuando otras condiciones lo requieren. La elección del grosor de la PCB siempre debe implicar un equilibrio entre los criterios de rendimiento y los de fabricación. Es necesario considerar factores como el entorno de la aplicación, los tipos de componentes y los requisitos de impedancia. Para aplicaciones de alta potencia, las capas de cobre más gruesas funcionan bien, mientras que las placas más delgadas son preferibles en dispositivos con espacio limitado.

Preguntas Frecuentes

¿Cuál es el grosor estándar de PCB?

El espesor más utilizado para los sustratos FR-4 es de 1.6 mm (aproximadamente 62 milésimas de pulgada). El uso de esta especificación es bastante común en la electrónica de consumo, las tecnologías para hogares inteligentes y los sistemas de control en la industria.

¿Cuándo debo elegir una placa de circuito impreso ultrafina de menos de 0.6 mm?

Las placas de circuito ultrafinas se pueden usar en aplicaciones con espacio limitado o restricciones de peso, como teléfonos inteligentes, tabletas, dispositivos portátiles, computadoras portátiles, drones y robótica. Sin embargo, su desventaja radica en que no ofrecen mucha resistencia mecánica para soportar componentes pesados.

¿Influye el grosor de la placa de circuito impreso en el coste?

Sí, aumentar el grosor de la placa de circuito impreso generalmente incrementa el coste debido al mayor consumo de material y a la complejidad de la fabricación.

¿Puedo elegir libremente un grosor no estándar?

Los espesores no estándar requieren configuraciones de capas personalizadas, lo que puede disminuir el rendimiento y aumentar los costos. Siempre se recomienda verificar la viabilidad de fabricación con el fabricante de PCB antes de especificar cualquier espesor.

¿Cuál es la tolerancia típica para el grosor de la placa de circuito impreso?

La tolerancia permitida por la mayoría de los fabricantes de PCB para espesores estándar es de ±10%. Si el espesor es extremadamente delgado (<0.6 mm), la tolerancia permitida sería de aproximadamente ±0.075 mm.

¿Qué grosor debo elegir para los conectores de borde de tarjeta?

Se recomienda un grosor de entre 1.57 y 1.6 mm, a menos que se especifique lo contrario en la hoja de datos del conector, ya que esto garantiza un contacto y un rendimiento de inserción adecuados.