Linee guida per l'utilizzo dei materiali PCB

Le schede a circuito stampato svolgono un ruolo fondamentale in diverse applicazioni elettroniche, assolvendo a due funzioni principali: fornire connessioni elettriche affidabili ai componenti e fungere da supporto per questi ultimi. Per svolgere efficacemente il loro ruolo, la scelta del giusto materiale per la produzione di PCB è fondamentale. Il materiale giusto può migliorare le prestazioni elettriche e garantire la resistenza del PCB in ambienti estremi. In questo articolo, FS Technology analizzerà tre aspetti chiave: la struttura del circuito, il materiale del substrato e la selezione del materiale.

Materiali utilizzati nella produzione di PCB

La struttura della scheda PCB

L'insieme di più parti forma una scheda PCBA completa e i componenti vengono collegati attraverso le piazzole, le linee e le tracce sul foglio di rame laminato. Questa scheda comprende strati di circuiti in rame incorporati all'interno o montati su un substrato laminato piatto composito, che comprende materiali come la fibra di vetro e l'epossidico composito. Per ottenere una maggiore densità di circuiti, vengono progettate strutture multistrato che consentono di costruire PCB multistrato dove gli strati vengono fusi insieme con il calore per creare un unico oggetto compatto. Approfondiamo i materiali utilizzati per la costruzione dei vari strati del PCB:

Strato di substrato

Materiale dello strato di substrato del PCB

Il substrato funge da materiale di base per tutti gli stampati. schede di circuitoche fornisce l'isolamento per gli strati conduttivi. Nei circuiti rigidi, il substrato di costruzione più diffuso è Materiale FR4, rinomata per la sua eccellente resistenza meccanica e per l'isolamento elettrico. Tuttavia, alcuni progetti optano per alternative più economiche come le resine fenoliche o le epossidiche. I circuiti flessibili, invece, utilizzano materiali in poliimmide o poliestere per conferire flessibilità alla scheda. Nelle applicazioni ad alta potenza, PCB a nucleo metallico Sono preferibili materiali di substrato come il rame o l'alluminio. Gli ingegneri devono considerare attentamente i requisiti del progetto e le caratteristiche dei materiali durante la fase di progettazione per garantire la funzionalità e la durata ottimali del prodotto PCB finale.

Strato conduttivo

Lo strato conduttivo è lo strato di rame cruciale responsabile della formazione dei percorsi elettrici o delle tracce, che consentono le connessioni dei componenti sul PCB. Questa sottile lamina di rame viene applicata a una base non conduttiva, in genere un'epossidica rinforzata con fibra di vetro, con più strati isolanti inseriti nel mezzo. Durante la fase di Processo di produzione dei PCBIl calore e gli adesivi vengono utilizzati per laminare il foglio di rame alla scheda.

Nel caso di un PCB a doppia facciaEntrambi i lati della scheda sono laminati con rame per ospitare le connessioni elettriche necessarie. Per le schede multistrato, ogni strato è dotato di proprie tracce conduttive. Lo spessore del materiale conduttivo in rame influenza direttamente parametri elettrici cruciali come l'induttanza, la capacità e la resistenza.

Lo spessore dello strato di rame può essere specificato in once per piede quadrato o micron per pollice quadrato, con 35 micron come spessore comune. Lo spessore del rame può variare in base al numero di strati della scheda. Pertanto, è essenziale adattare il design dello strato conduttivo alla complessità e alla funzionalità del dispositivo desiderato.

Per i progettisti, si raccomanda di rivedere Linee guida per lo spessore del rame dei PCB prima di iniziare il processo di progettazione. L'osservanza di queste linee guida garantisce che lo strato conduttivo soddisfi i requisiti elettrici e funzioni in modo ottimale nel prodotto PCB finale.

Maschera di saldatura

Diversi colori di materiali per maschere di saldatura nel processo di produzione dei PCB

Il maschera di saldaturaLa resistenza di saldatura, nota anche come solder resist, è uno strato protettivo applicato sopra lo strato di rame della scheda di circuito. La sua funzione principale è quella di isolare e schermare le tracce di rame e gli strati conduttivi dal contatto diretto, impedendo la conduzione involontaria e i cortocircuiti. Funzionando da barriera, la maschera di saldatura protegge tutti i circuiti sullo strato esterno del PCB, sia durante il processo di saldatura di assemblaggio che in condizioni ambientali difficili durante l'applicazione.

Mentre il verde è il colore comunemente associato ai PCB, i produttori offrono una varietà di opzioni per i colori delle maschere di saldatura. FS Technology, ad esempio, offre la possibilità di scegliere tra rosso, giallo, bianco e altri materiali, consentendo ai progettisti di personalizzare l'aspetto dei loro PCB in base alle loro preferenze o ai requisiti di branding.

Strato serigrafico

Materiale dello strato serigrafico del PCB

Lo strato di serigrafia è posizionato sopra lo strato della maschera di saldatura e funge da prezioso aiuto visivo per gli utenti. Consente di aggiungere numeri, simboli e altri segni che aiutano a comprendere il layout e la funzionalità della scheda PCB. Fornendo indicazioni chiare sullo scopo e sul ruolo di ciascun componente e pin della scheda, lo strato di serigrafia facilita i processi di assemblaggio, debug e manutenzione.

In genere, la serigrafia è presentata in colore bianco, per garantire una buona visibilità sullo sfondo contrastante della maschera di saldatura. Tuttavia, sono disponibili anche altre opzioni di colore, come il grigio, il rosso, il giallo e il nero, a seconda delle preferenze del progettista o dei requisiti specifici del progetto.

Materiali comuni per PCB e loro caratteristiche

Abbiamo già discusso i materiali di cui sono fatte le diverse parti del PCB. Analizzeremo quindi in dettaglio i materiali del substrato del PCB e ne presenteremo le proprietà.

FR-4

Materiale del substrato del PCB FR-4

L'FR4 è il materiale per circuiti stampati più diffuso e fondamentale; il suo nome completo è Flame Retardant 4, che indica le sue proprietà ignifughe. Costituiti da un composito di fibra di vetro e resina epossidica, i materiali FR4 vengono potenziati con additivi specifici durante il processo di produzione per migliorarne le caratteristiche termiche, elettriche e di resistenza alla fiamma. Ciò rende l'FR4 una scelta ideale per la costruzione di circuiti ad alta velocità e ad alta sollecitazione termica ad un costo relativamente basso.

Ecco le caratteristiche tecniche dei materiali FR4 forniti:

  • Costante dielettrica: Questo materiale ha un valore di costante dielettrica pari a 4,4, è stabile in tutte le gamme di frequenza ed è adatto a una serie di progetti di uso generale.
  • Perdita dielettrica: L'FR4 presenta basse perdite dielettriche, in genere comprese tra 0,015 e 0,035, a seconda del produttore e dei gradi specifici. Questa bassa perdita dielettrica garantisce un'attenuazione minima del segnale e contribuisce a mantenere l'integrità e la qualità del segnale.
  • Conduttività termica: I materiali delle schede PCB FR4 hanno in genere una conducibilità termica inferiore, che ne limita le capacità di dissipazione del calore nei progetti ad alta potenza. Tuttavia, per le applicazioni standard, le loro proprietà termiche sono efficaci e sufficienti.
  • Temperatura di esercizio: La temperatura di transizione vetrosa (Tg) dell'FR4 è di circa 130-140°C. Questa temperatura rappresenta il punto in cui il materiale cambia stato. Il valore di Tg dell'FR4 lo rende adatto ad applicazioni che richiedono temperature di esercizio moderate.
  • Resistenza meccanica: L'FR4 vanta una buona resistenza meccanica e rigidità, che impedisce la deformazione e la piegatura. Questa robustezza consente alla scheda di resistere alle sollecitazioni meccaniche in varie applicazioni di progettazione, tra cui strumenti industriali, progetti automobilistici ed elettronica di consumo.

PTFE (Teflon)

Materiale del substrato PTFE

Il PTFE, comunemente noto come Teflon, è un materiale speciale ampiamente utilizzato nella produzione di PCB, laminati di Teflon e materiali adesivi. Vanta eccezionali proprietà elettriche e termoelettriche, che lo rendono ideale per applicazioni nei circuiti a microonde, ad alta velocità e ad alta frequenza. Uno dei vantaggi principali di questo materiale plastico è la sua resistenza elettrica trascurabile, che garantisce una perdita minima di segnale e prestazioni superiori in ambienti ad alta frequenza.

Inoltre, il PTFE è altamente flessibile e quindi adatto ad applicazioni con tolleranze ristrette. È anche ritardante di fiamma e offre una notevole stabilità di temperatura, che gli consente di resistere a condizioni operative difficili.

Il PTFE può essere combinato con fibre di vetro per migliorarne le proprietà meccaniche. Incorporando additivi e cariche speciali, la resistenza meccanica delle fibre di vetro può essere ulteriormente migliorata, fornendo un rinforzo maggiore alla struttura complessiva del materiale.

Ecco le caratteristiche tecniche dei materiali PTFE forniti:

  • Costante dielettrica: il valore della costante dielettrica del PTFE è molto basso, da 2,2 a 2,65 circa.
  • Perdita dielettrica: presenta perdite dielettriche inferiori, da 0,001 a 0,002.
  • Conduttività termica: Questo materiale ha una conducibilità termica inferiore a quella della poliimmide e dell'FR4.
  • Temperatura di esercizio: Il PTFE presenta un'elevata temperatura di transizione vetrosa, pari a circa 200°C, che lo rende ideale per i circuiti ad alta potenza e ad alta temperatura.
  • Prestazioni ad alta frequenza: i suoi buoni parametri elettrici e il valore ridotto della costante dielettrica lo rendono ideale per i circuiti a microonde e ad alta frequenza.
  • Resistenza chimica: Questo materiale è resistente ai solventi e alle sostanze chimiche e offre protezione da diverse condizioni ambientali.

Poliammide

Materiale del substrato PCB in poliimmide

Con la crescente complessità dei dispositivi elettronici, è cresciuta la domanda di laminati flessibili, che consentono di soddisfare le esigenze di piegatura. A differenza dei tradizionali PCB rigidi che utilizzano la fibra di vetro come supporto, PCB flessibile utilizza come materiale di base film plastici. Questi materiali flessibili sono molto versatili e possono essere ugualmente efficaci sia in progetti singoli, come le installazioni flessibili, sia in applicazioni continue come la flessione dinamica.

Sul mercato sono disponibili diversi materiali flessibili, tra cui poliimmide, LCP (polimeri a cristalli liquidi), poliestere e PEN. Tra queste opzioni, PCB in poliimmide si distingue per l'eccellente stabilità termica, che lo rende adatto all'uso in condizioni di alta temperatura.

Ecco le caratteristiche tecniche dei materiali in poliimmide forniti:

  • Costante dielettrica: Il valore della costante dielettrica per la poliammide è di circa 3,3.
  • Perdita dielettrica: La poliimmide presenta anche minori perdite dielettriche, con un valore compreso tra 0,003 e 0,006.
  • Conduttività termica: Inoltre, presenta una minore conducibilità termica, solitamente compresa tra 0,12 e 0,15 W/(m K). 
  • Temperatura di esercizio: I materiali in poliimmide presentano un elevato valore di temperatura di transizione vetrosa (Tg), superiore a 250°C.
  • Flessibilità: Utilizzato in progetti in cui le schede devono essere piegate o trasformate in forme diverse, come i dispositivi indossabili.
  • Resistenza chimica: Questo materiale è resistente a diversi prodotti chimici e solventi, quindi è la scelta migliore per gli ambienti corrosivi.

Materiale Rogers

Materiali per substrati PCB Rogers

Rogers Corporation è un famoso produttore di laminati per alte frequenze, realizzati appositamente per i circuiti a microonde e per i progetti in cui è coinvolta l'alta frequenza.

Ecco le caratteristiche tecniche di Materiali Rogers per PCB fornito:

  • Costante dielettrica: I materiali Rogers offrono diversi valori di costante dielettrica, da un minimo di 2,2 a un massimo di 10, utili per gestire progetti ad alta frequenza. Gli ingegneri possono selezionare i migliori valori di Dk in base alle caratteristiche richieste.
  • Perdita dielettrica: Questi materiali hanno una perdita dielettrica minore, da 0,001 a 0,005 circa. 
  • Conduttività termica: Alcuni tipi di materiali Rogers hanno un'elevata conduttività termica rispetto ai materiali standard dei pannelli.
  • Temperatura di esercizio: Il loro valore di Tg è elevato, superiore a 250°C, il che ne garantisce l'affidabilità in condizioni di alta temperatura.

CEM-3

materiale del substrato PCB cem

CEM-3 o Materiale epossidico composito 3 è un'opzione meno costosa del materiale FR4 che offre le stesse caratteristiche elettriche e meccaniche. Viene creato con tessuto e resina epossidica e con l'aggiunta di carta di cellulosa come materiale di riempimento.

Ecco le caratteristiche tecniche dei materiali CEM-3 forniti:

  • Costante dielettrica: Il valore della costante dielettrica per il CEM-3 è circa 4,6.
  • Perdita dielettrica: Questo materiale presenta un valore elevato di perdite dielettriche rispetto all'FR-4, da 0,02 a 0,035 circa.
  • Conduttività termica: Di solito tra 0,25 e 0,35 W/(m K), leggermente inferiore ai materiali FR4.
  • Temperatura di esercizio: Il suo valore di Tg è di circa 135-140 °C, come l'FR-4 standard. Questo valore di temperatura è ottimale per i circuiti elettronici che hanno esigenze termiche moderate.
  • Costo-efficacia: Viene utilizzato soprattutto per i parametri di economicità rispetto ad altri materiali come la poliimmide e i laminati specializzati per l'alta frequenza.

Guida alla scelta dei materiali per la fabbricazione dei PCB

Prestazioni elettriche

Quando si selezionano i materiali per Fabbricazione di PCBLa considerazione principale riguarda le prestazioni elettriche, che hanno un impatto diretto sulla trasmissione dei segnali elettrici e sulla funzionalità complessiva del circuito stampato.

  • Costante dielettrica: Conosciuta anche come costante dielettrica relativa, determina il modo in cui un materiale influenza la velocità con cui i segnali elettrici lo attraversano. Nell'ingegneria ad alta frequenza, si preferiscono materiali con valori di costante dielettrica più bassi per ridurre la distorsione del segnale e garantirne una trasmissione efficiente.
  • Perdita dielettrica: Chiamato anche fattore di dissipazione, questo parametro quantifica la quantità di energia persa sotto forma di calore durante la trasmissione del segnale. I materiali con bassi valori di perdita dielettrica sono molto utili per i circuiti ad alta velocità e ad alta frequenza, in quanto riducono al minimo l'attenuazione del segnale e contribuiscono a mantenerne la qualità.
  • Integrità del segnale: Per alcuni progetti, il mantenimento della qualità del segnale è di estrema importanza per evitare problemi come la riflessione del segnale, la diafonia e il disadattamento dell'impedenza. I materiali per schede con parametri di impedenza controllati svolgono un ruolo cruciale nel preservare la qualità del segnale e nel ridurne l'attenuazione.

Prestazioni termiche

I parametri termici svolgono un ruolo cruciale nei progetti in cui viene generato un calore elevato o quando si opera in condizioni di temperatura elevata. Una gestione termica efficace garantisce un funzionamento affidabile e prolunga la durata dei componenti.

  • Conduttività termica: I materiali ad alta conducibilità termica dissipano efficacemente il calore dai componenti, riducendo al minimo il rischio di surriscaldamento e garantendo un funzionamento affidabile.
  • Coefficiente di espansione termica (CTE): Il CTE misura quanto un materiale si contrae o si espande al variare della temperatura. La scelta di materiali con coefficienti di espansione termica compatibili con la scheda e i componenti riduce le sollecitazioni meccaniche durante le variazioni di temperatura e aiuta a prevenire i danni alle giunzioni di saldatura.
  • Tg (Temperatura di transizione vetrosa): La Tg indica la temperatura alla quale il materiale del pannello passa da uno stato rigido a uno flessibile. I materiali ad alta Tg sono utilizzati in progetti che prevedono fluttuazioni di temperatura durante il funzionamento o i processi di produzione.
  • Capacità di dissipazione termica: I materiali con buone proprietà di dissipazione termica sono essenziali per evitare inutili aumenti di temperatura nei diversi componenti.

Resistenza meccanica

La resistenza meccanica dei materiali dei PCB e la capacità della scheda di resistere alle sollecitazioni meccaniche durante la produzione, il trasporto e l'applicazione.

  • Flessibilità vs. rigidità: A seconda dell'applicazione, i PCB possono essere rigidi o flessibili. I materiali flessibili, come la poliimmide o il poliestere, sono ideali per i progetti che richiedono la piegatura o per i progetti con limiti di spazio.
  • Spessore del PCB: Lo spessore del pannello influisce direttamente sulla sua resistenza meccanica. I pannelli spessi offrono una struttura altamente rigida e una maggiore durata, mentre quelli sottili sono adatti a progetti con vincoli di spazio.
  • Resistenza agli urti meccanici e alle vibrazioni: I materiali con buone proprietà di smorzamento sono essenziali per le applicazioni esposte a urti o vibrazioni meccaniche. Queste caratteristiche di smorzamento aiutano a ridurre al minimo i guasti indotti dalle sollecitazioni e garantiscono l'affidabilità della scheda in condizioni difficili.

Resistenza chimica

Soprattutto per le industrie che operano in condizioni difficili, i progettisti devono considerare la capacità dei materiali dei PCB di resistere all'influenza di sostanze chimiche e di diversi parametri ambientali.

  • Esposizione ambientale: La resistenza chimica protegge la scheda dal degrado e dalla corrosione, garantendone la longevità e l'affidabilità in ambienti difficili.
  • Resistenza all'umidità: I materiali con una buona resistenza all'umidità impediscono l'assorbimento dell'umidità, riducendo problemi come la delaminazione e i malfunzionamenti elettrici causati dall'ingresso dell'acqua.
  • Regolamenti ambientali: Selezionare materiali che siano Conforme alla direttiva RoHS garantisce che i PCB sono ecocompatibili e non rappresentano un pericolo per la salute umana o per l'ambiente.

Altri aspetti

  • Costo e disponibilità: Quando si crea un progetto, i parametri di costo sono fondamentali, poiché la scelta del materiale per PCB influisce direttamente sul costo di produzione complessivo. Inoltre, la disponibilità dei materiali varia a seconda dei fornitori e delle regioni. È essenziale trovare un equilibrio tra le caratteristiche richieste e i vincoli di budget.
  • Processo di produzione: Il materiale selezionato per il PCB deve essere compatibile con il processo di produzione richiesto. Alcuni materiali possono richiedere metodi di produzione specializzati, come la manipolazione in ambiente controllato e la laminazione ad alta temperatura. È importante valutare la fattibilità e l'efficienza finanziaria del processo di produzione con i materiali scelti.
  • Requisiti specifici: Ogni dispositivo elettronico ha requisiti unici e la scelta dei materiali per PCB deve essere in linea con queste esigenze specifiche. Alcune applicazioni possono dare priorità a caratteristiche specifiche, come le prestazioni ad alta frequenza, mentre altre possono enfatizzare la gestione termica o l'economicità.

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