Balance de cobre en el reaclamiento: cuando el robo de cobre empeora la deformación

El robo de cobre debería funcionar. La estrategia es común, y la lógica es sólida: agregar relleno de cobre en áreas sparsas de una placa de circuito, equilibrar la densidad general y reducir el estrés durante la fabricación. Para muchos diseños, esto funciona perfectamente. Pero cuando se aplica de manera agresiva, sin considerar el comportamiento térmico, el robo deja de ser una solución. Se convierte en la fuente del mismo problema que se pretendía resolver. Las placas que deberían haberse vuelto planas tras salir del horno de reflujo salen retorcidas, con sus componentes desalineados y las juntas de soldadura comprometidas.

Esta falla es contraintuitiva porque la causa raíz de la deformación no es un desequilibrio abstracto de cobre, sino un calentamiento asimétrico durante el ciclo de reflujo. Agregar cobre cambia la masa térmica y la distribución de calor de una placa. Cuando ese cobre se coloca sin comprender cómo afecta la simetría del calentamiento a temperaturas máximas de reflujo, crea nuevos desequilibrios térmicos, a menudo peores que los originales. La placa se retuerce a medida que diferentes regiones se calientan a diferentes ritmos y mantienen ese calor durante diferentes períodos, lo que provoca una expansión diferencial que el sustrato no puede absorber sin deformarse.

La respuesta no es abandonar el equilibrio de cobre. Es reconocer que la simetría en la estructura, la densidad controlada de cobre local y el soporte adecuado del panel son estrategias mucho más efectivas que el robo de manta. Estos enfoques abordan directamente la asimetría térmica, en lugar de tratar la distribución de cobre como un ejercicio puramente geométrico. Para entender cuándo el robo empeora las cosas, primero hay que comprender la mecánica térmica que rige una placa a 250°C.

La Mecánica Térmica de la Deformación por Reflujo

La deformación es fundamentalmente un problema de expansión diferencial restringida. Una placa de circuito impreso es un compuesto de materiales con diferentes coeficientes de expansión térmica (CET), masas térmicas y conductividades térmicas. Cuando este compuesto se calienta de forma rápida e irregular, se generan tensiones internas. Si esas tensiones superan el límite elástico del sustrato a altas temperaturas, la placa se deforma. La deformación puede ser temporal, relajándose al enfriarse la placa, o puede volverse permanente si el sustrato cede o si el proceso de enfriamiento congela la tensión.

Por qué la expansión diferencial crea torsión

El CET de un material describe cuánto cambian sus dimensiones por cada grado de aumento de temperatura. El CET del cobre es de aproximadamente 17 ppm/°C. La lámina de FR-4, el sustrato de PCB más común, tiene un CET en el plano de 14-17 ppm/°C, pero su CET a través del espesor es mucho más alto, generalmente 60-70 ppm/°C. Este desajuste significa que a medida que la temperatura aumenta, el cobre y el FR-4 desean expandirse a diferentes ritmos.

Juntos en una lámina, ningún material puede expandirse libremente. El cobre restringe al FR-4, y el FR-4 restringe al cobre, creando tensiones internas. Si la placa se calienta de manera uniforme y el cobre se distribuye de forma simétrica en toda la estructura, estas tensiones son manejables. La placa se expande de manera uniforme, la simetría de la estructura mantiene el eje neutral centrado y las fuerzas equilibradas en la parte superior e inferior mantienen la placa plana.

Sin embargo, el calentamiento uniforme es un lujo. Cuando una región de una placa se calienta más que otra, quiere expandirse más. Presa de la región más fría, no puede, y se acumula tensión a lo largo de la frontera. Si el gradiente térmico es severo y constantemente orientado—una cara de la placa siempre más caliente que la otra—la placa se doblará o retorcerá para aliviar la tensión, buscando una nueva forma de equilibrio que minimice la energía interna de deformación.

El tiempo es crítico. El FR-4 se vuelve significativamente más flexible a medida que se acerca y supera su temperatura de transición vítrea (normalmente 170-180°C). Durante el pico de reflujo, a o por encima de 240°C, el sustrato está en su estado menos rígido. Este es su momento de máxima vulnerabilidad. Un desequilibrio térmico en este punto deformará la placa. Si esa deformación supera el punto de yield de la resina ablandada, la placa no recuperará completamente su forma al enfriarse.

Cobre: Masa Térmica y Principal Vía de Calor

Durante el reflujo, el cobre cumple dos funciones: actúa como masa térmica y como una autopista de calor. Ambas son consecuencias de sus propiedades físicas: alta capacidad calorífica específica y excelente conductividad térmica en comparación con el FR-4.

Como masa térmica, el cobre determina la energía requerida para elevar su temperatura. Una placa con planos de cobre pesados necesita más energía y tiempo para alcanzar la temperatura de reflujo que una con trazos dispersos. Esto significa que las áreas con alta densidad de cobre se calientan más lentamente que las áreas con baja densidad. Si una placa tiene grandes planos de cobre sólidos en su mitad izquierda y solo enrutamiento ligero en su derecha, la mitad izquierda se retrasará en la temperatura durante la subida de temperatura. En cualquier momento dado, la mitad derecha está más caliente, creando la asimetría térmica que provoca deformaciones.

Como autopista de calor, la alta conductividad térmica del cobre (aproximadamente 400 W/m·K frente a los 0.3 W/m·K del FR-4) permite redistribuir el calor rápidamente. Un gran plano de cobre no solo se calienta lentamente debido a su masa; también dispersa el calor lejos de puntos calientes localizados, igualando la temperatura a través de su superficie. Aunque esto puede ser beneficioso, también significa que la presencia o ausencia de cobre crea zonas térmicas fundamentalmente diferentes. Una región con un plano sólido tiene una respuesta térmica lenta y uniforme. Una región solo con trazos tiene una respuesta rápida y localizada.

El cobre no solo añade masa; también reestructura fundamentalmente el paisaje térmico de la placa. Por eso, su distribución debe considerarse una cuestión de diseño térmico, no solo de uniformidad en la fabricación.

Cómo la distribución del cobre rige la simetría del calentamiento

La simetría térmica significa que todas las regiones de la placa alcanzan la misma temperatura aproximadamente al mismo tiempo. Aunque la simetría perfecta es imposible, el objetivo es minimizar los gradientes térmicos, especialmente durante la fase de reflujo máxima cuando la placa es más flexible.

La distribución de cobre dicta esta simetría al definir los mapas de masa térmica y conductividad de la placa. Una placa con densidad de cobre uniforme tiene una respuesta térmica relativamente uniforme, absorbiendo calor como un todo coherente. Una placa con cobre altamente no uniforme se convierte en un mosaico de zonas con diferentes constantes de tiempo térmico: las áreas densas se retrasan, mientras que las dispersas lideran.

El problema se agrava en las placas multicapa. Considera un diseño de seis capas donde las planos de alimentación solo cubren la mitad de la superficie de la placa. Esa mitad tiene una masa térmica mucho mayor. Durante el reflujo, se calienta más lentamente, creando un gradiente persistente desde el lado disperso hasta el lado denso. Si este gradiente corre a lo largo de la longitud de la placa, se arquea. Si tiene asimetría rotacional, se tuerce.

El perfil de reflujo puede exacerbar esto. La zona de remojo de un perfil está diseñada para igualar las temperaturas antes del aumento final a su punto máximo, pero no es infinitamente larga. Si una placa tiene un desequilibrio significativo en la masa térmica, el remojo puede no ser suficiente. Cuando el horno sube a 240-250°C, las regiones de baja masa se sobrepasan primero, mientras que las regiones de alta masa todavía se están poniendo al día. Esta es la ventana crítica donde comienza la deformación.

Una vez que se forman zonas térmicas distintas, interactúan. Un gran plano de cobre en un área densa absorbe calor y lo retiene más tiempo, acentuando el gradiente con las áreas dispersas adyacentes. Al carecer del amortiguador térmico del cobre, esas áreas dispersas se calientan rápidamente. El gradiente persiste durante el pico, y la placa se deforma.

La Trampa del Robo de Manta

El instinto de aplicar sustracción de cobre radica en preocupaciones de fabricación válidas como el grabado y el plating uniformes. Pero cuando se aplica como un llenado general para alcanzar un porcentaje objetivo, la sustracción a menudo crea la misma asimetría térmica que se quería evitar.

Se convierte en el problema.

Cuando el cobre añadido crea nuevos desequilibrios

El hurto aumenta la masa térmica de las áreas donde se añade. En una placa con cobre funcional concentrado en algunas áreas y enrutamiento escaso en otras, el hurto generalmente se añade solo a las regiones escasas. Esas áreas, que previamente tenían poca masa térmica y se calentaban rápidamente, ahora se calientan más lentamente.

Esto no elimina el cobre funcional pesado; solo desplaza el equilibrio térmico. Si la sustracción es lo suficientemente agresiva, puede desplazar el equilibrio demasiado lejos. La zona previamente dispersa podría tener ahora una masa térmica comparable a las áreas funcionales, pero con una geometría diferente, creando un nuevo desequilibrio impredecible.

El problema no es solo la densidad, sino la ubicación y la intención. Si la sustracción se coloca en una región que ya era más fría durante el reflujo, añadir masa térmica allí la hace aún más fría, acentuando el gradiente. Las estrategias de sustracción general no hacen esta distinción; aplican relleno en función de un objetivo de densidad, no de análisis térmico. El resultado suele ser más cobre donde no debería estar.

Un modo de fallo específico ocurre cuando se añade sustracción de cobre a las capas exteriores justo encima de los planos de capa interior. Esta masa superficial absorbe calor del horno y lo conduce hacia el interior. Si las capas interiores ya tienen una alta masa térmica, la sustracción exterior aumenta la masa total de esa pila sin mejorar la penetración del calor hacia el núcleo. El núcleo se retrasa más, aumenta el gradiente superficie a núcleo, y se generan tensiones a través del espesor, provocando deformación en línea y en plano, ya que las capas superficiales se expanden más que el núcleo.

Sustracción en el temperatura máxima

El pico de recocido es el momento de máximo estrés térmico y de menor rigidez de la substrato. Cualquier desequilibrio térmico que exista aquí tendrá el mayor impacto porque la capacidad de la placa para resistir deformaciones está en su punto más bajo. Los roblones en una estructura térmica. Si esa estructura crea un desequilibrio que se manifiesta en el pico de temperatura, ocurrirá cada vez que la placa pase por un horno.

El horno no puede resolver un desequilibrio intrínseco a la construcción de la placa. Si el horno aumenta el calor para llevar las regiones frías de alta masa a la temperatura, las regiones térmicamente sensibles sobrepasarán. La placa alcanza su pico con diferentes áreas a diferentes temperaturas. Las áreas más calientes se expanden más, las áreas más frías menos. La placa está blanda. Se tuerce. Al enfriarse, la deformación puede volverse permanente, dejando componentes fuera de posición y uniones de soldadura comprometidas—una falla invisible para las pruebas eléctricas estándar.

Simetría en la Estructura: El Control Principal de la Deformación

La forma más efectiva de controlar la deformación es diseñar una pila de placas que sea térmicamente y mecánicamente simétrica respecto a su plano central. Esto asegura que las fuerzas de expansión térmica en la mitad superior de la placa sean reflejadas por fuerzas iguales y opuestas en la mitad inferior. Sin momento de flexión neto, la placa se mantiene plana.

Cobre en equilibrio, plano a plano

La simetría en la pila significa que por cada característica de cobre en una capa, existe una característica correspondiente en una capa a igual distancia del centro de la placa. En una pila de seis capas, la capa dos debe reflejarse en la capa cinco, y la capa tres en la capa cuatro. Si la capa dos es una plancha de tierra sólida, la capa cinco también debe ser una plancha de tierra sólida del mismo área y grosor. Este reflejo equilibra la masa térmica a través del grosor de la placa, asegurando que las mitades superior e inferior se calienten a la misma velocidad. La tensión por desajuste de CTE todavía está presente, pero es simétrica, por lo que la placa se expande de manera uniforme sin doblarse.

Las capas exteriores (una y seis) también deben estar equilibradas. Aunque a menudo es imposible tener cobre idéntico debido a la colocación de componentes, el objetivo es mantener el peso y distribución del cobre lo más cerca posible. La selección de material también importa; los grosores del núcleo y del prepreg deben reflejarse respecto al centro para alinearse con los ejes neutros mecánicos y térmicos, maximizando la resistencia de la placa a la deformación.

Cuando la modificación del apilamiento está restringida

La simetría perfecta no siempre es posible. El costo puede fijar el número de capas, o el diseño puede requerir planos que no puedan reflejarse. Una placa que necesita un gran plano de tierra en la capa dos sin un plano correspondiente en la capa cinco es inherentemente asimétrica.

En estos casos, una estrategia es usar un plano parcial no funcional en la capa espejo. Una camada de cobre enrejada o con líneas que cubra la misma área añade masa térmica y mejora la simetría sin crear un plano eléctrico sólido. Este compromiso puede reducir la deformación a niveles aceptables. La desventaja es un mayor uso de cobre para una característica no funcional, un costo que debe sopesarse contra el impacto en el rendimiento debido a la deformación.

Cuando la simetría en la pila se compromete, la placa es más vulnerable a la deformación, y el margen de error es estrecho. Añadir una deformación agresiva en una pila ya asimétrica es particularmente arriesgado, ya que puede interactuar con el desequilibrio existente de maneras impredecibles.

Densidad de Cobre Controlada Sin Relleno Agresivo

Si la simetría en la pila es la principal defensa, la densidad controlada de cobre es la herramienta táctica para gestionar los desequilibrios locales. El objetivo es añadir cobre solo donde sea necesario, en la cantidad necesaria, sin crear nuevos problemas térmicos. Esto requiere un cambio de un balance global a uno local, junto con soporte mecánico durante el reflujo.

Balanceo local sobre relleno global

El equilibrio local significa abordar la densidad de cobre en regiones específicas en lugar de aplicar un patrón de relleno uniforme en todas partes. El proceso empieza identificando áreas con cobre concentrado y disperso, y usando la intuición térmica para decidir dónde la adición de cobre ayudará y dónde perjudicará.

Si un área de muy baja densidad está rodeada por regiones de densidad moderada, añadir algo de deformación puede suavizar la discontinuidad térmica. El objetivo no es alcanzar un objetivo de densidad global, sino reducir el gradiente. Si las áreas circundantes tienen cobre de 30% y el área dispersa tiene 5%, llevarlo a 15% puede ser suficiente. Forzar a 30% con deformación agresiva puede sobrepasar el objetivo.

Esto también significa evitar deformaciones donde no son necesarias. Añadir cobre a un área térmicamente estable solo para cumplir un objetivo de densidad global arbitrario añade masa térmica innecesaria y desplaza el equilibrio. Esta es la trampa de reglas de diseño rígidas que ignoran la distribución. La geometría del relleno también importa. Los patrones enrejados o punteados crean una masa térmica efectiva menor que los rellenos sólidos y permiten un control más fino. Pueden satisfacer los requisitos mínimos de fabricación sin dominar el comportamiento térmico de una región.

El enfoque práctico: usa rellenos gruesos y de baja densidad solo donde sea necesario para cumplir con el mínimo de un fabricante. Justifica cada adición de cobre en función de la región, no como una operación global.

Soporte y Herramientas del Panel

El soporte del panel es una estrategia mecánica que complementa el diseño térmico. Incluso una placa con cierto desequilibrio térmico puede mantenerse plana si está adecuadamente soportada en el horno de reflujo. El soporte limita la capacidad de deformación de la placa a medida que pasa por su estado más vulnerable de alta temperatura.

Una placa aún unida a su panel está limitada por las guías del panel, que son más rígidas y mantienen todo el conjunto plano. Por esta razón, muchos ensamblajes de alta fiabilidad se reflow en forma de panel. Para placas individuales, un portador o accesorio de reflujo proporciona la misma función. Estos marcos rígidos, a menudo hechos de materiales con bajo CTE como compuestos de grafito, mantienen la placa plana mediante fuerza mecánica. La desventaja es la propia masa térmica del portador, lo que puede afectar el perfil de reflujo.

El soporte no elimina el desequilibrio térmico; lo suprime en forma de deformaciones. La placa todavía está bajo tensión interna, lo que puede afectar las juntas de soldadura. Por lo tanto, el soporte es una estrategia de mitigación, no una solución definitiva. Los mejores resultados se logran minimizando el desequilibrio térmico mediante el diseño y usando soporte mecánico para gestionar el riesgo residual.

Decidir Cuándo Está Justificado Robar

El robo de cobre no es inherentemente malo. Se vuelve un problema cuando se aplica ciegamente, como sustituto de un buen diseño de apilamiento y control de densidad. La decisión de usarlo debe ser deliberada.

¿Cuándo está justificado?

• Para cumplir con los mínimos de fabricación. Muchos fabricantes requieren una densidad mínima de cobre (por ejemplo, 20-30-%) para un recubrimiento uniforme. Si un diseño está por debajo de esto, es obligatorio rellenar. En este caso, añade solo suficiente cobre para cumplir el mínimo, usando patrones de baja densidad. Esto es una restricción de fabricación, no una optimización térmica.
• Cuando la simulación térmica muestra un claro beneficio. En algunos casos, la modelación puede mostrar que añadir cobre en un punto caliente específico puede aumentar su masa térmica lo suficiente para equilibrarlo con las áreas adyacentes. Este es el uso correcto y quirúrgico del robo de cobre como herramienta térmica, en contraste con un relleno general.
• Cuando la placa es inherentemente rígida. Las placas gruesas, pequeñas o altamente simétricas pueden tolerar un robo agresivo sin problema. La decisión se basa en el riesgo. Si una placa es marginal—delgada, grande o asimétrica—el robo debe controlarse estrictamente.

El principio rector es la parsimonia. Añade cobre solo cuando exista una necesidad definida y una comprensión clara de que no creará un problema peor. Prefiere el robo mínimo y localizado. Primero, confía en la simetría del stackup para el equilibrio térmico y usa soporte del panel para gestionar el riesgo residual. Trata el robo como una corrección específica, no como un paso de acabado estándar. Tus placas saldrán del reflujo planas, y tu rendimiento de ensamblaje reflejará esa disciplina de diseño.