Guida alla selezione dei materiali PCB

La parte più importante dell'elettronica è il circuito stampato (PCB). In alternativa, l'acronimo ha anche significato per schede a circuito stampato e schede a circuito stampato, che sono essenzialmente la stessa cosa. Dato il ruolo cruciale di queste schede in tutto, dai computer alle calcolatrici, la scelta dei materiali per le schede PCB deve essere effettuata con cura e conoscenza delle esigenze elettriche di una determinata apparecchiatura.

Prima dello sviluppo del PCB, i materiali dei circuiti stampati erano per lo più ricoperti da nidi di fili aggrovigliati e sovrapposti che potevano facilmente rompersi in determinati punti. Potevano anche andare in cortocircuito con il passare del tempo e alcuni fili iniziavano a creparsi. Come prevedibile, il processo manuale che portava al cablaggio di queste prime schede era complesso e laborioso.

Con l'avvento di una crescente varietà di componenti elettronici di uso quotidiano basati su circuiti stampati, si è aperta la corsa allo sviluppo di alternative più semplici e compatte, che ha portato allo sviluppo del materiale PCB. Grazie ai materiali per PCB, i circuiti possono essere instradati tra una miriade di componenti diversi. Il metallo che facilita il trasferimento di corrente tra la scheda e i componenti collegati è noto come saldatura, che svolge anche una duplice funzione grazie alle sue proprietà adesive.

Composizione materiale PCB

La composizione di un PCB è generalmente costituita da quattro strati, che vengono laminati a caldo in un unico strato. Il materiale utilizzato nel PCB comprende i seguenti strati, dall'alto verso il basso:

• Serigrafia

• Maschera di saldatura

• Rame

• Substrato

L'ultimo di questi strati, il substrato, è realizzato in fibra di vetro ed è anche noto come FR4, dove le lettere FR stanno per "ritardante di fiamma". Questo strato di substrato fornisce una solida base per i PCB, anche se il suo spessore può variare a seconda dell'uso di una determinata scheda.

Sul mercato esiste anche una gamma di schede più economiche che non utilizzano gli stessi materiali per PCB sopra menzionati, ma sono realizzate con resine fenoliche o epossidiche. A causa della sensibilità termica di queste schede, tendono a perdere facilmente la laminazione. Queste schede più economiche sono spesso facili da identificare per l'odore che emanano durante la saldatura.

Il secondo strato di un PCB è in rame, che viene laminato sul substrato con una miscela di calore e adesivo. Lo strato di rame è sottile e su alcune schede ne sono presenti due: uno sopra e uno sotto il substrato. I PCB con un solo strato di rame tendono a essere utilizzati per dispositivi elettronici più economici.

Il laminato rivestito in rame (CCL) ampiamente utilizzato può essere classificato in diverse categorie in base a diversi standard di classificazione, tra cui il materiale di rinforzo, l'adesivo in resina utilizzato, l'infiammabilità e le prestazioni del CCL.

Sopra la maschera di saldatura verde si trova lo strato serigrafico, che aggiunge lettere e indicatori numerici che rendono il PCB leggibile ai programmatori. Questo, a sua volta, facilita il posizionamento di ogni PCB nella posizione corretta e nella direzione corretta su ciascun componente da parte degli assemblatori elettronici. Lo strato serigrafico è solitamente bianco, sebbene a volte vengano utilizzati anche colori come rosso, giallo, grigio e nero.

Termini tecnici dello strato PCB

Oltre a comprendere come è stratificato il PCB, è importante conoscere anche i seguenti termini tecnici che accompagnano l'uso dei PCB:

• Anello anulare. L'anello di rame che circonda i fori su un PCB.

• DRC. Acronimo di Design Rule Check. In sostanza, il DRC è una pratica mediante la quale il design di un PCB viene verificato per verificarne la funzionalità. I ​​dettagli controllati includono la larghezza delle tracce e i fori.

• Foratura. Utilizzato per descrivere tutti i fori su un PCB, sia correttamente posizionati che fuori posto. In alcuni casi, un foro potrebbe essere leggermente errato a causa dell'usura delle attrezzature di foratura utilizzate durante la produzione.

• Dito. Metallo esposto lungo il bordo della scheda che funge da punto di collegamento tra due PCB. I diti si trovano più spesso su vecchi videogiochi e schede di memoria.

• Pezzetti di mouse. Una sezione della scheda che è stata eccessivamente forata al punto da minacciare l'integrità strutturale del PCB.

• Pad. Un'area di metallo esposta su un PCB, sulla quale generalmente viene applicato un pezzo saldato.

• Pannello. Un grande circuito stampato composto da schede più piccole, che vengono poi separate per un utilizzo individuale. Questa pratica mira a eliminare le difficoltà che gli operatori incontrano quando devono maneggiare schede più piccole.

• Stencil per pasta. Uno stencil metallico su una tavola, su cui viene applicata la pasta per la saldatura.

• Piano. Una sezione più ampia di rame esposto su un PCB, delimitata da bordi ma priva di percorso.

• Foro passante placcato. Un foro che attraversa un PCB, solitamente per collegare un altro componente. Il foro è placcato e solitamente presenta un anello anulare.

• Slot. Qualsiasi foro non circolare. I PCB con slot sono spesso costosi a causa dei costi di produzione per la creazione di fori di forma irregolare su un circuito stampato. Gli slot in genere non sono placcati.

• Montaggio superficiale. Un metodo mediante il quale i componenti esterni vengono montati direttamente sulla scheda senza l'uso di fori passanti.

• Traccia. Una linea continua di rame attraverso un PCB.

• V-score. Un punto in cui la scheda è stata parzialmente tagliata. Questo può rendere il PCB vulnerabile a rotture.

• Via. Un foro attraverso il quale i segnali viaggiano tra gli strati. Le via sono presenti in versione a tenda e non a tenda. Le versioni a tenda sono coperte da una maschera di saldatura protettiva, mentre le via non a tenda sono utilizzate per il collegamento dei connettori.

Il numero che precede uno strato si riferisce al numero esatto di strati conduttivi, che si tratti di uno strato di routing o di un piano, i due tipi di strato. Gli strati tendono ad avere il numero 1, o uno qualsiasi dei quattro numeri pari successivi: 2, 4, 6, 8. Le schede a strati a volte hanno numeri dispari, ma questi sono rari e non farebbero praticamente alcuna differenza. Ad esempio, il materiale del PCB in una scheda a 5 o 6 strati sarebbe praticamente identico.

I due tipi di layer hanno funzioni diverse. I layer di routing presentano le tracce. I layer piani servono come connettori di alimentazione e presentano piani in rame. I layer piani presentano anche isole che determinano la funzione di segnalazione di una scheda, che sia a 3.3 V o a 5 V.

FR4 è il nome in codice per i fogli laminati in resina epossidica rinforzata con fibra di vetro. Grazie alla sua resistenza e alla sua capacità di resistere all'umidità e al fuoco, FR4 è uno dei materiali per PCB più diffusi.

Ulteriori considerazioni sulla progettazione PCB

Per indicare lo spessore di un pannello a strati, si utilizza un valore come 1.6 mm. Per i pannelli a 4 strati, 1.6 mm è la misura standard. Lo spessore è un fattore da tenere in considerazione nella scelta dei pannelli per un dispositivo. I pannelli con spessore maggiore, ad esempio, offriranno un supporto maggiore quando è necessario supportare oggetti di collegamento pesanti.

Lo spessore standard del rame sugli strati piani è di 35 micron. In alternativa, lo spessore del rame è talvolta indicato in once o grammi. È consigliabile optare per spessori di rame superiori al normale sulle schede che supportano numerose applicazioni.

I binari non sono progettati per trasferire potenza, ma questo può accadere quando i segnali non gestiscono correttamente le frequenze. Se il problema non viene tenuto sotto controllo, i binari potrebbero perdere notevoli quantità di potenza. Per trasferire la massima potenza possibile da un lato all'altro di un binario, la configurazione del binario deve tenere conto delle equazioni di trasmissione.

In generale, due pollici è la distanza corretta tra le tracce su schede a strati realizzate in materiale PCB FR4 con traccia in rame, a condizione che il tempo di trasmissione del segnale sia di un nanosecondo. Tuttavia, è necessario considerare anche gli effetti della linea di trasmissione per lunghezze di traccia elevate, soprattutto se l'integrità del segnale è fondamentale. Internet è pieno di programmi e fogli di calcolo progettati per aiutare gli utenti a calcolare correttamente l'impedenza per specifiche schede a strati.

Sulla maggior parte delle schede, i fori di via sono vuoti e di solito è possibile vedere attraverso di essi. Tuttavia, ci sono diverse circostanze in cui i fori di via possono essere riempiti. Innanzitutto, è necessario che i fori di via siano riempiti per formare barriere protettive da polvere e altre impurità. In secondo luogo, i fori di via possono essere riempiti per aumentare la capacità di trasporto di corrente, nel qual caso potrebbero essere utilizzati materiali conduttivi. Un altro motivo per cui i fori di via possono essere riempiti è per livellare una scheda.

I fori di via sono in genere riempiti con componenti BGA (Ball Grid Array). In caso di contatto tra un pin BGA e uno strato interno, la saldatura potrebbe scivolare attraverso il foro e finire su uno strato diverso. Pertanto, i fori di via vengono riempiti per garantire che la saldatura non fuoriesca su un altro strato e che l'integrità dei contatti sia mantenuta come previsto.

Uno degli eventi più problematici su una scheda a strati è quando un contatto si rompe e si rompe in un punto qualsiasi della scheda. Più spesso accade, prima quella parte della scheda rischia di cedere completamente. L'utente medio di dispositivi elettronici domestici incontrerà questo problema quando uno dei pulsanti di una calcolatrice smette di funzionare. Ogni pulsante preme su una parte specifica di una scheda a strati e, quando un punto si guasta, il pulsante corrispondente a quel punto non può inviare il suo segnale.

Un altro modo in cui i contatti possono essere danneggiati in determinati punti è quando si inserisce uno slot secondario sulla scheda madre. Se la scheda viene maneggiata male, uno dei punti lungo la scheda potrebbe danneggiarsi e non funzionare più. Il modo migliore per proteggere le superfici della scheda che entrano in contatto tra loro è l'uso di uno strato d'oro, che funge da barriera protettiva. L'oro può essere costoso, tuttavia, e il suo utilizzo nelle linguette aggiunge un ulteriore passaggio al processo di fabbricazione del PCB.

Maschera per saldatura PCB

Il colore più familiare per le schede madri è il verde, il colore della maschera di saldatura. Sebbene non sia così comune, la maschera di saldatura a volte si presenta anche in altri colori, come il rosso o il blu. La maschera di saldatura è anche nota con l'acronimo LPISM, che sta per "liquid photo imageable soldermask" (maschera di saldatura liquida foto-immaginata). Lo scopo della maschera di saldatura è impedire la fuoriuscita di saldatura liquida. Negli ultimi anni, questo fenomeno è diventato più frequente a causa della mancanza di maschera di saldatura. Tuttavia, secondo la maggior parte degli utenti, le schede madri con maschera di saldatura sono generalmente preferite a quelle senza.

Una volta applicato il soldermask al PCB, il PCB viene sottoposto a saldatura fusa. Durante questo processo, le superfici di rame esposte vengono saldate. Tutto ciò fa parte di un processo noto come livellamento della saldatura ad aria calda (HASL). Durante la saldatura dei chip SMD, la scheda viene riscaldata fino al punto in cui la saldatura assume una forma fusa e i componenti vengono posizionati correttamente. Man mano che la saldatura si asciuga, anche i componenti vengono saldati. L'HASL di solito include il piombo come uno dei composti nella saldatura, sebbene esistano anche opzioni senza piombo.

La spaziatura della larghezza delle tracce è indicata da un trattino. Ad esempio, quando si vede la cifra 6/6 mils, si intende che 6 mils sia la larghezza minima delle tracce, sia la spaziatura minima delle tracce. Pertanto, tutte le spaziature sulla scheda in questione dovrebbero essere pari o superiori a 6 mils. Per chi non lo sapesse, le unità di misura in mils vengono utilizzate per determinare le distanze sui materiali dei PCB. Larghezza e spaziatura sono particolarmente importanti quando si tratta di schede progettate per gestire elevati flussi di corrente.

Quando una scheda PCB è multistrato, l'accessibilità di diverse piste non può essere esaminata visivamente. Pertanto, viene eseguito un test che posiziona delle sonde all'estremità delle piste per verificare che tutti i segnali siano raggiungibili. Il test viene eseguito applicando una tensione da un'estremità. Se queste tensioni vengono rilevate dall'altra parte, le piste sono considerate funzionanti. Sebbene il test non sia sempre essenziale su schede con solo uno o due strati, è comunque consigliato se si ha davvero a cuore la qualità.

Le vie che collegano gli strati interni ed esterni sono note come vie cieche. Il nome deriva dal fatto che tali vie possono essere individuate solo da un lato. Le vie che collegano due o più strati interni sono note come vie interrate, e non possono essere individuate dall'esterno su entrambi i lati. Sulle schede che contengono vie cieche e interrate, viene spesso utilizzato il riempimento delle vie. Questo mantiene la superficie esterna più sicura e contribuisce a ridurre la possibilità che la saldatura scivoli e penetri nelle vie interne.

Selezione dei materiali che influenzano il costo

I PCB in genere costano di più quando contengono caratteristiche come linguette dorate, vie cieche o interrate o riempimento delle vie. Allo stesso modo, i PCB con spaziatura di linea/larghezza inferiore a 6 mil tendono a costare di più. La ragione di questi prezzi più elevati è il processo alternativo utilizzato per la produzione di schede PCB insolite. Allo stesso modo, alcune produzioni di PCB si rivelano meno redditizie o di successo quando sono presenti mil bassi o vie interne, e il prezzo più elevato è destinato a recuperare le perdite. Esistono produttori che producono PCB con misure di linea/larghezza fino a 3 mil, ma questa soluzione è generalmente sconsigliata a meno che non sia l'unica opzione per un componente specifico.

Impatto di potenza e calore sulla selezione dei materiali per PCB

Tra tutti i fattori che influiscono sui PCB, due dei più intensi sono la potenza e il calore. Pertanto, è fondamentale determinare le soglie per ciascuno di essi, cosa che può essere fatta valutando la conduttività termica di un PCB. Questa definisce come la potenza in watt viene convertita in temperatura lungo la lunghezza del materiale. Tuttavia, non esistono valori di conduttività termica stabiliti a livello di settore.

Ad esempio, Rogers Corp. commercializza un materiale per PCB, RT/duroid 5880, spesso utilizzato nella guerra elettronica e nelle comunicazioni. La costante dielettrica di questo materiale è bassa, poiché si tratta di un materiale composito che contiene elementi in microfibre di vetro. Queste microfibre servono ad aumentare la resistenza della fibra nel materiale.

Grazie a questa bassa costante dielettrica, il PCB è ideale per applicazioni che utilizzano alte frequenze. Tuttavia, a causa della bassa conduttività termica del materiale, può riscaldarsi facilmente, il che può rappresentare un enorme svantaggio nelle applicazioni che richiedono elevate temperature.

Materiali PCB e applicazioni industriali

Per applicazioni nei settori militare, aerospaziale, automobilistico e medicale, i PCB vengono prodotti sia a faccia singola che a faccia doppia, alcuni dei quali rivestiti in rame e altri in alluminio. In ciascuno di questi settori, il materiale viene utilizzato per massimizzare le prestazioni in aree specifiche. Pertanto, i materiali per PCB vengono selezionati in base alla loro leggerezza in determinati settori o alla loro capacità di gestire elevate potenze in altri. Pertanto, quando si considerano le capacità prestazionali, è fondamentale determinare quali funzioni devono essere confrontate tra loro nella selezione dei materiali per PCB, poiché i livelli di materiale sono correlati ai livelli di prestazioni.

Pannelli flessibili e rigido-flessibili

Negli ultimi anni, le schede flessibili e rigido-flessibili hanno acquisito popolarità grazie alle opzioni che consentono in una varietà di utilizzi. In pratica, possono essere piegate, ripiegate e persino avvolte attorno a oggetti, consentendo di realizzare applicazioni che non sarebbero mai possibili con circuiti stampati piatti. Ad esempio, una scheda flessibile potrebbe essere utilizzata per un'apparecchiatura che richiederebbe una scheda piegata ad angolo e che continui a trasportare corrente da un'estremità all'altra senza la necessità di pannelli di collegamento.

La maggior parte dei pannelli flessibili sul mercato è realizzata in Kapton, un film di poliimmide sviluppato da DuPont Corporation. Il film vanta qualità come la resistenza al calore, la costanza dimensionale e una costante dielettrica di soli 3.6.

Il Kapton è disponibile in tre versioni Pyralux:

• Ritardante di fiamma (FR)

• Non ignifugo (NFR)

• Senza adesivo / alte prestazioni (AP)

Selezione dei materiali per schede PCB: la qualità prima di tutto

Quando si tratta di selezionare i materiali per le schede PCB, la qualità è di fondamentale importanza nella costruzione di qualsiasi tipo di scheda, che sia destinata all'elettronica di consumo o ad apparecchiature industriali. Un componente che contiene un circuito stampato può essere grande o piccolo, economico o costoso, ma ciò che conta di più è che l'articolo in questione offra prestazioni superiori per l'intera durata prevista.

Sebbene esistano diversi tipi di materiali per PCB utilizzati in una determinata scheda, l'affidabilità del prodotto è in definitiva ciò che consumatori e aziende cercano nei prodotti che utilizzano circuiti stampati. Naturalmente, è anche fondamentale che i materiali dei PCB siano sufficientemente resistenti da resistere, anche se un componente cade accidentalmente o viene urtato lateralmente.

Ad esempio, nelle apparecchiature computerizzate, i PCB resistenti garantiscono la possibilità di effettuare aggiornamenti hardware senza danneggiare i materiali preesistenti della scheda PCB. Lo stesso vale per dispositivi elettronici, forni a microonde e altri elettrodomestici che si affidano alla tecnologia PCB per rimanere in perfette condizioni di funzionamento. Anche nei servizi pubblici elettronici come gli sportelli bancomat, i PCB devono funzionare senza problemi, in modo che i pulsanti funzionino e i comandi siano recepiti senza ritardi.

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