Guía definitiva para elegir el sustrato ideal en tu PCB: materiales, propiedades y aplicaciones
1 · Por qué importan k, Tg y εr
Antes de hablar de materiales conviene poner en contexto los tres valores que más confunden:
| Parámetro | Qué mide | Por qué importa |
|---|---|---|
| k (W/m·K) | Rapidez con la que el sustrato conduce el calor | Cuanto mayor es k, más fácil evacuar el calor de LEDs o MOSFETs y evitar puntos calientes. |
| Tg (°C) | Temperatura a la que la resina pasa de rígida a gomosa | Por encima de Tg el laminado se ablanda y las vías pueden fallar; elegir un Tg superior a la temperatura de trabajo y al perfil de soldadura es clave. |
| εr | Capacidad del material para almacenar campo eléctrico | Una εr estable y baja reduce la distorsión de las pistas de RF y los tiempos de subida en buses digitales rápidos. |
Con esto en mente, vemos cada familia de sustratos con algo más que números.
2 · Sustratos rígidos
2.1 FR-4 — el “generalista”
El laminado de fibra de vidrio y epoxi FR-4 domina porque es asequible, fácil de mecanizar y puede apilarse en 4, 6 u 8 capas sin complicaciones. Su conductividad (≈ 0,25 W/m·K) es baja, pero en electrónica de consumo basta con añadir vías térmicas y disipadores. El punto crítico es la Tg: una placa estándar (130-150 °C) puede ablandarse durante la soldadura sin plomo; por eso hoy se recurre a formulaciones “high-Tg” (~180 °C) para procesos más exigentes. El valor de εr ronda 4,2 y sube ligeramente con la frecuencia, lo que obliga a controlar impedancias en buses > 3 Gb/s.
Ejemplos de uso
- Placa base de PC: densidad de componentes y coste mandan.
- ECU automotriz: la alta Tg evita degradación por el calor del vano motor.
Resumen: FR-4 es la opción por defecto siempre que las pérdidas térmicas y la RF no sean extremas.
2.2 CEM-3 — el económico para doble cara
CEM-3 comparte la resina epoxi de FR-4, pero con fibra de vidrio no tejida: resulta algo menos robusto, pero cuesta 15-20 % menos y permite taladros metalizados. Perfecto para mandos a distancia o juguetes donde el coste es un factor determinante y la placa no sufre estrés térmico severo.
2.3 MCPCB de aluminio — el disipador integrado
Un Metal-Core PCB intercala un dieléctrico fino sobre un núcleo de aluminio. Ese núcleo distribuye el calor unas diez veces mejor que el FR-4, manteniendo los LED 20 °C más fríos y duplicando su vida útil. El precio sube y la placa suele ser de una capa, pero en lámparas industriales, faros de coche o convertidores de potencia es imbatible.
2.4 Cerámicos — para calor y choques extremos
Los sustratos de alúmina (24-30 W/m·K) o nitruro de aluminio (≈ 170 W/m·K) expulsan calor con enorme eficacia y tienen un coeficiente de dilatación similar al del silicio, lo que reduce el estrés en los chips de potencia. Se usan en módulos IGBT de trenes, controladores de motor para satélites y cargadores ultrarrápidos de vehículos eléctricos, donde un fallo no es opción.
2.5 PTFE (Rogers RT/duroid) — el especialista en RF
Cuando la señal supera 10 GHz, las pérdidas de un FR-4 se disparan. El PTFE cargado de la gama Rogers (εr ≈ 2,2, tan δ < 0,001) mantiene la potencia y la linealidad en radares de 77 GHz o antenas 5G. El material es costoso y blando: se graba al plasma para que el cobre se adhiera, y el diseño debe considerar su elevado coeficiente de expansión.
3 · Sustratos flexibles
3.1 Poliimida — la flexibilidad hecha PCB
Las láminas de poliimida (p. ej. Kapton) soportan 250 °C y entre 10 000 y 100 000 ciclos de doblado. Se usan como cables FPC en smartphones (conectan pantalla, cámara y batería en menos de 1 mm de grosor) o como arneses ligeros en satélites, donde cada gramo ahorrado es importante.
3.2 LCP — flex + alta frecuencia
El Liquid Crystal Polymer combina la flexibilidad de la poliimida con pérdidas casi tan bajas como el PTFE, por eso Qualcomm y otros lo usan para antenas mm-wave integradas en teléfonos 5G.
4 · Tecnología rígido-flex
Un rígido-flex junta secciones FR-4 con una cinta de poliimida. Esto elimina conectores, resiste vibraciones y ahorra volumen interno: clave en drones de carreras, cámaras mirrorless o marcapasos. El precio es 4-6 veces el de un FR-4 estándar y el diseño exige respetar radios de curvatura, pero la fiabilidad compensa.
5 · Tabla resumen para decidir rápido
| Material | k (W/m·K) | Tg / Temp máx | εr | Ventaja | Caso de uso típico |
|---|---|---|---|---|---|
| FR-4 | ≈ 0,25 | 130–180 °C | 4,2 | Económico y versátil | Placa base PC |
| CEM-3 | ≈ 0,3 | ≤ 130 °C | 4,6 | Doble cara barato | Juguetes |
| Al MCPCB | 2-7 | > 130 °C | — | Disipa calor | Lámpara LED |
| Alúmina | 24-30 | > 350 °C | 9-10 | Térmica + robustez | Módulo IGBT |
| PTFE | ≈ 0,25 | 260 °C | 2,2 | Pérdidas mínimas | Radar 77 GHz |
| Poliimida | ≈ 0,2 | 250 °C | 3,6 | Flexibilidad | Cable FPC |
| LCP | ≈ 0,3 | 280 °C | 3,0 | Flex + mm-wave | Antena 5G |
| Rígido-flex | — | — | — | Sin conectores | Drone |
Conclusiones y próximo paso
- Consumo → FR-4 o CEM-3.
- Iluminación/potencia → MCPCB.
- Aeroespacial y trenes → cerámica + flex.
- 5G / radar → PTFE o LCP.
- Wearables → rígido-flex.
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