PCB IMS

Veamos algunos de los aspectos fundamentales sobre IMS PCB.

Ya sea que desee obtener información sobre especificaciones, características, propiedades o configuraciones; encontrarás toda la información aquí mismo.

Así que sigue leyendo para aprender más.

¿Qué es un PCB IMS?

IMS es la abreviatura de sustrato metálico aislado.

Una placa de circuito IMS emplea metal como sustrato junto con una fina capa dieléctrica y una película de cobre.

Muchas PCB IMS son placas de un solo lado debido a la configuración y, por lo tanto, solo admiten la conexión de componentes en un lado.

Puede conectar un disipador de calor a la placa base con tornillos y grasa para la disipación térmica.

Consigue una disipación de calor superior cuando utiliza una placa de circuito impreso IMS que con una placa de circuito tradicional.

El uso de una PCB IMS es una de las formas más sencillas de mantener frescos los componentes de montaje en superficie.

PCB IMS

¿Qué metales puede usar en una PCB IMS?

Cuando utilice una PCB IMS, puede emplear los siguientes metales como sustrato:

Aluminio

El aluminio posee propiedades tanto metálicas como no metálicas, y es uno de los elementos más ampliamente disponibles en el planeta.

El aluminio se extrae del mineral de bauxita mediante la realización de un proceso de fabricación para convertirlo en una forma útil.

Puede hacer aleaciones de aluminio combinándolas con metales como magnesio, silicio, zinc, cobre y manganeso.

En comparación con el aluminio puro, la combinación con otros elementos metálicos mejora la trabajabilidad, la conductividad eléctrica, la fuerza, la densidad y la resistencia a la corrosión.

El aluminio es muy dúctil, lo que hace posible la formación de láminas delgadas.

Su alta maleabilidad, por otro lado, le permite moldear fácilmente material de aluminio que permite su uso en PCB IMS.

Cobre

El cobre se encuentra a partir de minerales de sulfuro, carbonato y óxido, y como subproducto en la producción de plata. El cobre y sus aleaciones se encuentran entre los materiales de ingeniería más adaptables.

El cobre es útil en todas las aplicaciones industriales debido a sus combinaciones únicas de características que incluyen conductividad, maquinabilidad, resistencia a la corrosión, ductilidad y resistencia.

Las variaciones en la constitución y los métodos de producción pueden mejorar aún más estas cualidades.

Algunas de las propiedades del cobre y sus aleaciones que permiten su uso en PCB IMS incluyen:

• Excelente conductividad del calor y la electricidad.
• Impecable resistencia a la corrosión.
• Excelente maquinabilidad con propiedades mecánicas y eléctricas preservadas a temperaturas criogénicas
• Un alto punto de fusión en estado puro de 1083^o

El cobre es solo superado por la plata en términos de conductividad eléctrica, igualando el 97 por ciento de la conductividad de la plata.

Usted emplea cobre en PCB IMS debido a su disponibilidad y costo.

Acero Inoxidable

El acero inoxidable se refiere a un grupo de aleaciones a base de hierro resistentes a la corrosión y al calor.

Una característica distintiva del acero inoxidable es su contenido de cromo del 10.5 por ciento, lo que le confiere una mayor resistencia a la corrosión que otros aceros.

También puede emplear molibdeno, níquel, nitrógeno y magnesio en la aleación de acero inoxidable.

El acero con un contenido mínimo de cromo del 10 por ciento ofrece hasta 5 veces más protección contra la corrosión que el acero sin él.

Aprecia su uso en IMS PCB por su resistencia, durabilidad, trabajabilidad, bajo mantenimiento, ecológico, reciclable y resistente a la temperatura.

El acero inoxidable no necesita un tratamiento regular mediante recubrimiento y pintura una vez en uso.

¿Por qué emplea IMS PCB?

La tensión térmica similar a la que se presenta en los procesadores puede conducir a un funcionamiento deficiente de las placas de circuitos o incluso a fallas.

El aumento de la posibilidad de estrés térmico ha aumentado significativamente con los avances tecnológicos y la miniaturización de equipos.

Usted encuentra en las placas de circuito de hoy, apila componentes de cerca en un factor de forma reducido.

En consecuencia, la gestión eficaz y adecuada del calor en los PCB es vital para evitar una pérdida total de funcionalidad en los dispositivos.

El uso de una placa de circuito impreso IMS es una técnica eficaz de gestión térmica para disipar el calor de los componentes principales de la placa de circuito.

Dichos componentes incluyen LED y transistores que generan mucho calor.

¿Dónde emplea los PCB de IMS?

Los PCB IMS son útiles en aplicaciones de alta potencia donde se requieren grandes cargas mecánicas con una estabilidad dimensional impecable.

Encontrará que estos PCB le permiten emplear trazas más delgadas, lograr una mayor densidad de componentes y extender la vida útil de su producto.

Los componentes como los LED y los transistores generan mucho calor que puede eliminar fácilmente con una PCB IMS.

Cuando emplea un sustrato de metal aislado, logra una conductancia del calor hasta diez veces mayor que el FR4 común.

Algunas de las aplicaciones comunes de los PCB IMS son:

Iluminación LED

Los circuitos LED son cada vez más pequeños, eficientes energéticamente y con una gran potencia de salida.

Usted emplea PCB IMS en circuitos LED porque absorben eficientemente la energía térmica producida por los componentes LED.

Fabricación de automóviles

Cientos de unidades de control componen automóviles modernos. Usted encuentra estas pequeñas computadoras alrededor del área del motor donde están expuestas a temperaturas extremas.

Los PCB IMS tienen la conductividad térmica y las cualidades mecánicas que requieren estas aplicaciones.

Circuitos de potencia

Los circuitos de potencia emplean dispositivos de conmutación que generan mucho calor.

Los PCB IMS transfieren el calor de manera eficiente sin la necesidad de disipadores de calor discretos para cada componente, lo que permite lograr diseños más pequeños.

Relés de estado sólido

El relé de estado sólido (SSR) es un sucesor moderno de los relés mecánicos que consta de un optoacoplador y un MOSFET.

Estos componentes están empaquetados herméticamente en una pequeña carcasa que también sirve como disipador de calor.

Usted emplea PCB IMS para recolectar el calor de los componentes y transportarlo para su eliminación en el gabinete.

¿Qué calidades de material necesita para IMS PCB?

Al evaluar una PCB IMS, debe tener en cuenta las cualidades mecánicas y eléctricas del material base.

Algunas de las características clave son las siguientes:

• Constante dieléctrica: compara la capacitancia del material del sustrato con la de un vacío en el papel de dieléctrico.
• Coeficiente de expansión térmica (CTE): mide la extensión del cambio de los sustratos metálicos en la dirección del eje z tras la exposición al calor.
• Temperatura de transición vítrea (T_g): El material deja de funcionar como un material duro y entra en un estado plástico.
• Temperatura de descomposición (T_d): determina la resistencia al calor del material que influye en su estructura física.
• Tiempo de delaminación: monitorea el tiempo que tarda el sustrato en delaminar a las temperaturas de 260 y 288 ^oC respectivamente.
• Índice de seguimiento comparativo: mide las cualidades de ruptura eléctrica del sustrato.

¿Cuáles son las ventajas de usar un PCB IMS?

El uso de una PCB IMS le ofrece varias ventajas, como se indica a continuación:

• Una PCB IMS tiene mejor conductividad térmica que una PCB FR4 convencional que puede ser diez veces más.

Las conductividades térmicas en los PCB IMS pueden oscilar entre 1 y 12 W/mK

• Puede emplear el sustrato de metal grueso en IMS PCB para soporte estructural en el dispositivo.
• Puede empacar de cerca los componentes que disipan mucho calor en las PCB IMS, lo que permite la formación de dispositivos compactos.

Usted encuentra esto posible debido a la conducción de calor eficiente que experimenta en estos tableros.

• Los PCB IMS son menos susceptibles al fuego que los PCB FR-4, ya que emplean metal como material de sustrato.

Por lo tanto, puede usar PCB IMS en aplicaciones de alta potencia o en entornos combustibles o con altas temperaturas.

• Al utilizar una placa de circuito impreso IMS, puede permitirse el blindaje electromagnético proporcionado por el sustrato de metal.

También puede utilizar el sustrato de metal como capa base, lo que elimina la necesidad de trazas adicionales y, por lo tanto, ahorra costos.

• El uso de dispositivos montados en superficie con PCB IMS es más fácil ya que la placa puede absorber y distribuir inmediatamente el calor generado.

¿Cuáles son los tipos de PCB IMS?

Puede clasificar los PCB IMS con el tipo de metal que emplean como sustrato en lo siguiente:

• PCB de aluminio IMS: Muchos PCB de IMS emplean metal de aluminio como material de sustrato debido a su bajo costo.

El aluminio también es más ligero que el cobre con una conductividad térmica cercana a la del cobre.

Placa de circuito impreso IMS de aluminio

• Placa de circuito impreso IMS de acero inoxidable: Usted emplea acero inoxidable donde desea resistencia mecánica para su PCB IMS.

El acero inoxidable es incluso más barato que el aluminio, pero en comparación con el cobre y el aluminio, es el menos conductor.

• PCB IMS de cobre: El cobre le ofrece una excelente conducción térmica que el aluminio y el acero inoxidable y, por lo tanto, cuesta mucho más.

Además, encontrará que el cobre es más pesado y se corroe fácilmente que el aluminio y el acero inoxidable.

PCB IMS de cobre

¿Cómo se puede configurar una PCB IMS?

Puede configurar una PCB IMS de las siguientes maneras:

De un solo lado

Los componentes se instalan en un lado cuando se utiliza una PCB IMS de un solo lado.

Solo se puede usar un lado de este tipo de PCB IMS para instalar componentes.

Tiene una sola capa de cobre junto al sustrato de metal que se duplica como disipador de calor.

Dos capas con montaje de componentes de un solo lado

En esta configuración, emplea un par de capas de cobre para acomodar circuitos adicionales.

Sin embargo, solo rellena una capa de cobre y puede emplear una película FR-4 entre las capas de cobre. El uso de vías que conectan la capa del componente con el sustrato puede mejorar la conductividad térmica de la placa.

Montaje de componentes de doble cara

Tiene dos capas conductoras de cobre que puede poblar en esta configuración.

Intercalas el sustrato de metal utilizando vías para la transferencia de señales de calor y corriente.

Las cualidades mecánicas de estos PCB se mejoran con resina que aísla las vías que transportan corriente. Sin embargo, la calidad del disipador de calor del sustrato metálico disminuye debido a su ubicación en el medio.

Multicapa con montaje de componentes de doble cara

Una PCB IMS con esta disposición es la más complicada y contiene múltiples capas de cobre a ambos lados del sustrato metálico.

Puede montar componentes en ambas capas de cobre externas, lo que le permite una mayor densidad y funcionalidad.

¿Cómo se compara una PCB IMS con una PCB FR-4?

El principal aspecto diferencial entre un PCB IMS y un PCB FR-4 está en la capacidad de conductividad térmica y las cualidades mecánicas.

Los PCB IMS le ofrecen una mejor conductividad térmica que las placas FR-4 convencionales con su estructura rígida que mejora la resistencia mecánica de la placa.

PCB FR-4

Otras diferencias son las siguientes:

• Puede colocar componentes de orificio pasante cuando utilice un PCB FR-4 con una sola capa.

Sin embargo, no es práctico emplear orificios pasantes en una PCB IMS que emplea una sola capa.

• Los PCB IMS tienen una conductividad térmica superior a los PCB FR4 similares.
• Solo usa máscaras de soldadura blancas para PCB IMS. Tienes una amplia gama de opciones de colores para PCB FR4 que van desde verde, amarillo, negro, azul, entre otros.
• Al fabricar PCB IMS, utiliza maquinaria especializada, como cuchillas recubiertas de diamante, debido al material del sustrato metálico.

La fabricación de FR-4 emplea equipos y maquinaria estándar.

• Al hacer PCB FR-4, puede tener varias capas. Un PCB IMS es mayormente efectivo con una sola capa.
• Puede proporcionar un PCB FR-4 con espesores mucho mayores en comparación con los PCB IMS.

Exceder un espesor de cetina para un PCB IMS hace que su efectividad sea nula en conductividad térmica.

¿Qué acabado de superficie puede emplear en una placa de circuito impreso IMS?

A Acabado de superficie de PCB es una capa metálica que se aplica sobre el rastro para proteger el cobre subyacente de la oxidación.

La corrosión de la traza de cobre conductor puede provocar la interrupción del flujo de la señal y provocar una falla.

Algunos de los acabados superficiales que emplea para una PCB IMS son:

HASL / HASL sin plomo

La nivelación de soldadura por aire caliente presenta el acabado superficial más común en la fabricación de tableros.

La placa se sumerge en una aleación de estaño/plomo fundido, antes de eliminar el exceso de soldadura soplando con aire caliente.

En HASL sin plomo, reemplaza el plomo con otro metal debido a la clasificación del plomo como una sustancia peligrosa restringida.

HASL expone su placa de circuito a altas temperaturas, lo que le permite resaltar cualquier problema de delaminación antes del ensamblaje de componentes.

OSP (conservante orgánico de soldabilidad)

El OSP es un tipo de acabado superficial a base de agua que se utiliza en la protección de las almohadillas de cobre contra la corrosión. OSP requiere poco mantenimiento, proporciona una superficie coplanar y, al no contener plomo, es ecológico.

No obstante, carece de la durabilidad de HASL y es delicado al tacto.

Oro de inmersión en níquel no electrolítico (ENIG)

ENIG comprende un par de capas sobre el cobre compuesto por metales de níquel y oro.

El níquel ofrece protección de cobre como superficie de soldadura real para los componentes.

El oro protege al níquel durante el almacenamiento y ofrece una baja resistencia de contacto.

Como cumple con RoHS, es un acabado de superficie popular que le brinda una superficie lisa al mismo tiempo que ofrece una larga vida útil.

Plata de inmersión

En plata de inmersión, se aplica un acabado químico sobre el cobre sumergiéndolo en un contenido de iones de plata. El proceso es un proceso no electrolítico que produce un acabado fantástico para placas de circuito blindadas EMI.

Con este acabado, logra un espesor de superficie promedio y uniforme entre 5 y 18 micropulgadas.

El acabado es ecológico y menos costoso en comparación con ENIG.

Lata de inmersión

Se consigue un acabado metálico por inmersión mediante la deposición química directa del estaño sobre el cobre.

El cobre forma un fuerte vínculo con el estaño logrando un escudo permanente para la protección contra la oxidación.

Dado que el proceso no emplea elementos de plomo, es respetuoso con el medio ambiente. Además, se consigue una superficie plana que se puede volver a trabajar.

¿Cómo se suelda una PCB IMS?

La soldadura de PCB IMS en una ola de soldadura no requiere cambios en la técnica de soldadura.

Bombeas estaño en los orificios para el componente desde abajo, uniéndolos instantáneamente a la pared de cobre del taladro.

Sin embargo, dependiendo del tipo de placa IMS, la soldadura por reflujo puede requerir ciertos ajustes en el perfil de soldadura.

En un procedimiento de soldadura por reflujo, la principal ventaja de las placas de circuito impreso IMS va en su contra.

Observa que la capacidad de disipar el calor de manera efectiva hace que las almohadillas de soldadura se calienten más lentamente. Para modificar el perfil de soldadura, hay dos factores que influyen:

el grosor del sustrato de metal y el tamaño de la placa.

La durabilidad de los componentes limita la temperatura máxima, dejando el tiempo de permanencia antes del punto de fusión como la única variable de proceso modificable.

Asegúrese de que la placa se caliente lo suficiente en este momento para evitar que se drene menos calor en el siguiente pico.

¿Por qué se prefiere el aluminio sobre el cobre en IMS PCB?

Los PCB de IMS emplean un sustrato de metal para mejorar las propiedades térmicas y mecánicas de la placa.

El uso de un sustrato de metal mejora la conductividad térmica hasta diez veces más que una placa similar que emplea sustrato FR-4.

El aluminio encuentra un uso común como material de sustrato para dichos tableros porque es económico y liviano.

Si bien el cobre tiene una mayor conductividad térmica y un CTE más bajo, cuesta mucho más relegarlo a diseños de alta densidad.

¿Qué técnicas de grabado aplican en la fabricación de PCB IMS?

Utiliza la técnica de grabado para eliminar selectivamente la superficie de un sustrato o capa de acuerdo con el diseño.

Puede emplear grabado húmedo o grabado seco para su PCB IMS.

Grabado húmedo

El grabado húmedo es un método que consiste en sumergir los materiales en una solución de grabado cuyo uso está muy extendido.

Tres factores afectan la tasa de grabado, a saber: la agitación, la concentración de la solución de grabado y la temperatura de la solución de grabado.

El grabado húmedo es un proceso isotrópico.

Cuando aumenta la temperatura de grabado e implementa la agitación, puede aumentar significativamente la tasa de grabado.

Grabado en seco

El grabado en seco es el enfoque más común para grabar objetos en tamaños submicrónicos, ya que utiliza plasma para grabar capas finas.

El plasma inicia una reacción con la capa superficial que da como resultado la producción de sustancias químicas volátiles.

También puede usar el plasma para atacar la superficie de la película directamente. El proceso de grabado en seco es anisotrópico.

¿Cuáles son las características del proceso de grabado en PCB IMS?

Puede caracterizar el proceso de grabado según la técnica empleada, es decir, grabado en húmedo o grabado en seco.

Algunas de las características son las siguientes:

• Para el grabado húmedo, si bien es económico, puede emplearlo para todos los metales en PCB IMS mientras logra una superficie uniforme.
• La selectividad en el grabado húmedo es alta y puede realizar el proceso en la superficie sin dañar la parte inferior.
• Usted emplea un mecanismo de pulverización iónica física en el grabado físico en seco, lo que da como resultado una tasa de grabado rápida.
• El grabado físico en seco permite el control del ancho de línea, lo que simplifica el proceso con un perfil de pared lateral anisótropo.
• El grabado químico seco es un proceso lento que implica la interacción química entre elementos activos.
• Lograr el control del ancho de línea en el grabado químico seco es difícil con un perfil de pared lateral isotrópico.

¿Qué alternativas de gestión térmica existen para una PCB IMS?

La gestión térmica es fundamental en cuadros de alta potencia donde existe una gran disipación de calor.

Si no se controla, la acumulación de calor en la superficie de una placa de circuito puede inducir una tensión que puede obstaculizar la funcionalidad e incluso causar daños.

El uso de un PCB IMS es una forma eficiente de frenar la acumulación de calor en su placa de circuito.

Sin embargo, cuando tenga un gran número de capas o se enfrente a limitaciones de costes, puede emplear otras alternativas.

Las alternativas de gestión térmica para PCB IMS son:

• Usando vías térmicas que son pequeños orificios enchapados que conectan las capas de su PCB creando una ruta continua para la transferencia térmica.
• Empleando gruesas capas de cobre para aumentar el área de superficie para la distribución y disipación del calor.
• Puede colocar un disipador de calor en la base de su placa convencional para recolectar calor y eliminarlo externamente por convección.

¿Qué espesor de cobre puede usar en PCB IMS?

El grosor del cobre en el diseño de su placa de circuito determina la capacidad de transporte de corriente de la PCB. La medida del espesor del cobre es en onzas, que habitualmente es una medida de peso.

Sin embargo, la medida en onzas describe el grosor que logras cuando colocas el peso de cobre en un área de un pie cuadrado.

Por ejemplo, un peso de cobre de una onza logrará un espesor de 1.4 milésimas de pulgada.

Al fabricar PCB IMS, puede emplear un espesor de cobre de 0.5 oz, 1 oz, 2 oz y 3 oz.

Básicamente, identifica estos pesos de cobre como pesos de cobre estándar con aquellos de más de 3 onzas como cobre grueso.

Encontrará que el uso de cobre grueso en PCB IMS anula los beneficios de la conductividad térmica que se desean al emplear un sustrato de metal.

¿Cómo se pueden minimizar los defectos de perforación cuando se trabaja en PCB IMS?

El proceso de perforación le permite crear orificios para la unión de componentes y la conexión entre capas.

Es un proceso preciso que requiere precisión en su ejecución para evitar daños en la placa.

Puede encontrar defectos al perforar el proceso de perforación que puede minimizar de la siguiente manera:

• desprestigio: Emplee este procedimiento químico para eliminar la resina derretida que se ha acumulado en las paredes del orificio perforado.
• Desbarbado: Emplea motorización para eliminar rebabas, que son extensiones sobresalientes de cobre que se forman durante el proceso de perforación.
• Delaminación Implica la separación de capas en su PCB durante el proceso de perforación que puede minimizar empleando la perforación con láser.

¿Qué es la conductividad térmica en IMS PCB?

La conductividad térmica se refiere únicamente a la conducción de calor, pero no a su transferencia por convección o radiación. Usted expresa la conductancia, influenciada por el tamaño de la placa de circuito impreso del IMS, usando el coeficiente Watt por Kelvin (W/K).

Considere la impedancia térmica al elegir un material para su PCB IMS, ya que influye en la conductividad térmica.

La resistencia térmica de un material se refiere a su resistencia interna al flujo de calor.

Tener un material con una baja resistencia térmica indica una mayor capacidad para conducir el calor.

La impedancia térmica comparte aspectos similares con la resistencia térmica pero se refiere a la constante de la superficie de contacto.

Cuando el voltaje de ruptura es insignificante durante la selección del material, puede emplear un dieléctrico delgado con conductividad térmica reducida.

Puede lograr una impedancia térmica similar de esta manera.

¿Cuáles son los estándares que utiliza en la fabricación de PCB IMS?

Los estándares son esenciales en la garantía de calidad de los productos al guiar el proceso de fabricación de PCB IMS.

Algunos estándares comunes incluyen:

• IPC-2221: Proporciona pautas para el proceso de diseño de PCB.

Abarca características como el diseño, los materiales, las cualidades mecánicas, las listas de piezas, la gestión térmica y las propiedades eléctricas.

• IPC-6012B: Especifica los requisitos de certificación y rendimiento para la fabricación de PCB rígidos.

Especifica estándares para el espaciado de los conductores, la soldabilidad y la integridad estructural para una variedad de grupos de productos.

• J-STD-001: Especifica los materiales, técnicas y otros requisitos para interconexiones soldadas de alta calidad.

Hace hincapié en el control de procesos y destaca las especificaciones para una variedad de productos electrónicos.

• IPC-TM-650: Conjunto de reglas para evaluar varios elementos de placas de circuito impreso, como probar la propensión de una PCB a la migración electroquímica superficial.

También puede determinar la resistencia al flujo de corriente sobre la superficie del sustrato y evaluar la limpieza iónica de una placa.