Da leggere assolutamente: Guida ai materiali PCB

Quando si parla di elettronica, I PCB sono gli eroi non celebrati che fanno funzionare tutto insieme senza intoppi. Sono come le strade che collegano tutte le parti di una città, lasciare che i segnali viaggino dove devono andare. E proprio come tu vuoi strade realizzate con materiali affidabili in grado di gestire il traffico, vuoi che i tuoi PCB siano robusti. Il materiale PCB che scegli è importante. Determina le prestazioni e la resistenza del tuo dispositivo durante l'uso quotidiano. per fortuna, una vasta gamma di materiali è a tua disposizione, soddisfare le vostre specifiche esigenze di prestazioni di progettazione. Questa guida ti condurrà attraverso i principali materiali PCB tra cui scegliere e ciò che rende ciascuno di essi unico. Quindi veniamo al dunque!

Di cosa sono fatti i circuiti stampati?

In questa sezione, introduciamo principalmente gli strati chiave che compongono il PCB e i materiali che utilizzano:

• Strato di substrato

Il PCB strato di substrato is like the foundation of a house – it’s the base that everything else in a printed circuit board builds on top of. Generalmente, questo strato è realizzato in fibra di vetro, che conferisce ai PCB la loro caratteristica rigidità. Ma la fibra di vetro non è l’unico materiale disponibile.

I substrati possono anche essere costruiti utilizzando resine epossidiche, CEM-1, G-11, metallo isolato, FR-1, o poliimmide. Ogni materiale ha le proprie proprietà che gli ingegneri scelgono in base a fattori come la quantità di calore che il PCB può gestire o la costante dielettrica. Ma tra tutte le opzioni, FR-4 è di gran lunga il più popolare.

• Strato conduttivo

Se lo strato di substrato è il fondamento di un circuito stampato, puoi pensare allo strato conduttivo come al cablaggio che fa funzionare tutto. Questo è lo strato costituito da sottili tracce di rame che trasmettono segnali e potenza in tutto il circuito.

Il rame è diventato il materiale di riferimento per lo strato conduttivo perché è un eccellente conduttore e più conveniente rispetto ad altre opzioni come argento o oro. Sicuro, quei materiali sono un po' più conduttivi, ma il rame svolge il suo lavoro per la maggior parte delle applicazioni.

Il conduttivo tracce su un PCB sono come minuscole autostrade di rame che trasportano l'elettricità a tutti i diversi componenti. Il layout e il design di queste tracce sono estremamente importanti per garantire che i segnali possano viaggiare in modo rapido ed efficiente.

• Strato di maschera di saldatura

Lo strato della maschera di saldatura, un sottile rivestimento simile alla plastica, è posizionato sopra le piste di rame su a Scheda PCB. Questo strato funge da isolante che impedisce alla saldatura di creare ponti tra le piste di rame vicine durante l'assemblaggio del PCB. La maschera di saldatura svolge quindi un ruolo chiave nel prevenire la formazione di collegamenti elettrici indesiderati. Esponendo solo i punti di saldatura previsti, la maschera di saldatura guida la saldatura per effettuare collegamenti corretti ed evitare cortocircuiti. E in realtà ci sono alcuni materiali diversi utilizzati per la maschera di saldatura a seconda del metodo di applicazione, sono liquidi epossidici, pellicola secca, e liquido fotoimpressionabile.

• Strato serigrafico

Il strato serigrafico su un circuito stampato è come una mappa stradale per costruire l'elettronica. Questo inchiostro epossidico viene stampato sulla parte superiore del PCB nelle fasi finali. Mostra dove posizionare ciascun componente con etichette e contrassegni utili. Oltre l'etichettatura, la serigrafia riporta anche avvertenze o loghi importanti del produttore. Tutti quei piccoli simboli e codici stampati con inchiostro bianco forniscono una guida cruciale per la costruzione e il debug.

Tipi comuni di materiale PCB

1. FR-4 (Ritardante di fiamma 4)

L'FR-4 è diventato il materiale predominante per i circuiti stampati grazie alla sua combinazione ottimale di prezzi accessibili, prestazioni affidabili, e semplicità costruttiva. È composto da un tessuto in fibra di vetro impregnato con resina epossidica e rinforzato con materiale ignifugo. Circuiti stampati FR-4 forniscono un efficace isolamento elettrico e robustezza strutturale pur rimanendo funzionalmente stabili alle alte e basse temperature. Questa versatilità rende FR-4 una scelta adatta per PCB in vari prodotti, inclusa l'elettronica di consumo, dispositivi di telecomunicazione, e macchinari industriali.

2. CEM-3

Come FR-4, CEM-3 è costituito da fibre di vetro intrecciate imbevute di resina epossidica. Ciò gli conferisce molte delle stesse proprietà desiderabili dell'FR-4: ottimo isolamento elettrico, resistenza meccanica, e stabilità termica. Ma CEM-3 si distingue per essere un po’ più conveniente. Per progetti di circuiti che non necessitano dell’apice assoluto delle prestazioni, gli ingegneri attenti ai costi spesso scelgono CEM-3 invece del più costoso FR-4. Quindi, mentre il venerabile FR-4 regna ancora sovrano per le applicazioni avanzate, CEM-3 offre un'opzione allettante per le esigenze PCB più quotidiane. Il suo equilibrio di capacità e il prezzo contenuto rendono CEM-3 un materiale backend affidabile per tutti i tipi di elettronica.

3. poliimmide

La poliimmide è un materiale polimerico versatile ideale per circuiti stampati in ambienti difficili. Stabilità termica senza pari della poliimmide, flessibilità meccanica, e la resistenza chimica gli consentono di mantenere la sua integrità e funzionalità anche se sottoposto ad ambienti operativi intensamente impegnativi. Mentre il calore estremo e gli agenti caustici compromettono la robustezza di molti materiali, la poliimmide mantiene le sue proprietà e continua a funzionare in modo affidabile.

Questa eccezionale resilienza termica e chimica, abbinato alla flessibilità strutturale, rende la poliimmide adatta per l'elettronica mission-critical in molti settori, compreso l'aerospaziale, settore automobilistico, e militare.

4. Teflon (PTFE)

Questo materiale offre qualità elettriche eccezionali che riducono al minimo la perdita di segnale, anche alle frequenze radar e satellitari. Le attrazioni principali del PTFE sono i suoi bassi costante dielettrica e tangente di perdita, che limitano la degradazione e la distorsione del segnale. Ha anche un'eccezionale stabilità termica grazie alla sua elevata temperatura di transizione vetrosa. I PCB in Teflon mantengono la loro struttura e l'integrità delle prestazioni anche se esposti a calore estremo. Ed infine, questo materiale PCB presenta un'eccellente resistenza chimica, scrollandosi di dosso anche le sostanze chimiche aggressive che danneggerebbero altre materie plastiche.

5. Materiale PCB con nucleo metallico

Nuclei metallici, Come suggerisce il nome, avere un'anima metallica, tipicamente alluminio, per garantire una migliore dissipazione del calore. Si abituano moltissimo ogni volta che i componenti diventano molto caldi. Stiamo parlando di luci LED ad alta potenza, convertitori di potenza, automotive electronics – anything that cranks out blazing heat. Quindi la prossima volta che costruirai componenti elettronici in cui le cose diventano spaventosamente calde, pannelli con anima metallica ti coprirò le spalle! Il nucleo metallico integrato facilita la dissipazione del calore lontano dai componenti sensibili alla temperatura, evitando così condizioni di surriscaldamento e promuovendo prestazioni costanti.

6. Materiale Rogers

Rogers Corporation si distingue come fornitore leader di materiali PCB, offrendo prodotti ad alte prestazioni per applicazioni esigenti. Le loro popolari serie RO4000 e RO3000 sono adatte alle alte frequenze, alta temperatura, e esigenze di alta affidabilità. I materiali Rogers forniscono le proprietà specializzate necessarie per prodotti come i sistemi radar, attrezzature di perforazione, e avionica aerospaziale dove le prestazioni sono fondamentali. Con R. interno&D e produzione, Rogers produce materiali PCB di prima qualità, apprezzati da produttori attenti alla qualità per schede mission-critical. Quando i circuiti devono funzionare perfettamente in condizioni intense, Rogers consegna.

Di seguito è riportato un grafico che confronta questi materiali PCB sotto diversi aspetti:

Materiale	FR4	CEM-3	Teflon	Rogers	Metallo	poliimmide
Costante dielettrica	~4.4	~4.5 – 4.9	~2.1	~2.5 – 10.2	Variabile	~3.4 – 3.5
Stabilità termica	Bene	Moderare	Eccellente	Eccellente	Variabile	Bene
Intervallo di frequenze	Fino a GHz di portata	Fino a GHz di portata	Fino a GHz di portata	Microonde & RF	Limitato dalla pelle	Gamma di GHz
Tangente di perdita	Basso	Moderare	Molto basso	Basso	Basso	Basso
Costo	Basso	Basso	Alto	Alto	Da moderato ad alto	Moderare
Flessione meccanica	Limitato	Limitato	Bene	Limitato	Limitato	Eccellente
in lavorazione	Standard	Standard	Specializzato	Specializzato	Limitato	Standard

Fattori da considerare nella scelta del materiale PCB

Quando si seleziona un materiale per cui è necessario valutare molteplici aspetti fabbricazione di circuiti stampati:

Prestazioni elettriche

• Costante dielettrica (Non so): Ciò influisce sulla velocità di propagazione del segnale e sul controllo dell'impedenza. Valori Dk più elevati possono portare a velocità del segnale più lente.
• Fattore di dissipazione (Df): Influisce sulle perdite di segnale e sull'efficienza energetica. Valori Df più bassi sono desiderabili per applicazioni ad alta frequenza.

Resistenza meccanica

• Resistenza alla trazione: Determina la capacità del PCB di resistere alle sollecitazioni meccaniche senza deformazioni o rotture.
• Resistenza alla flessione: Rilevante per flessibile o PCB rigido-flessibili, indicando la loro resistenza alla flessione e alla flessione.

Proprietà termali

• Conduttività termica: Fondamentale per la dissipazione del calore nei componenti ad alta intensità energetica. L'elevata conduttività termica aiuta a dissipare il calore in modo più efficiente.
• Coefficiente di espansione termica (CTE): Una mancata corrispondenza tra PCB e componente CTE può causare problemi di affidabilità a causa del ciclo termico.

Infiammabilità e resistenza alla fiamma

• Classificazione UL: UL 94 le classificazioni classificano i materiali in base alla loro infiammabilità e alle proprietà autoestinguenti. V-0 è più resistente alla fiamma del V-2, per esempio.

Considerazioni sui costi

• I costi dei materiali PCB possono variare in modo significativo. Materiali ad alte prestazioni come il PTFE (Teflon) tendono ad essere più costosi di FR-4, un comune materiale a base epossidica.

Producibilità

• Compatibilità con i processi di assemblaggio: Alcuni materiali potrebbero richiedere attrezzature o metodi di lavorazione specializzati che potrebbero incidere sui costi di produzione.
• Forabilità e lavorabilità: I materiali dovrebbero essere facili da lavorare durante il processo di fabbricazione.

Considerazioni ambientali

• Conformità RoHS: Verificare che il materiale del circuito stampato selezionato soddisfi gli standard ambientali applicabili, come i requisiti RoHS, che limitano alcune sostanze tossiche.
• Riciclaggio e smaltimento: Considera la facilità di riciclo e smaltimento del materiale al termine del ciclo di vita del PCB.

Integrità e frequenza del segnale

• Applicazioni ad alta frequenza: Materiali diversi mostrano caratteristiche di perdita di segnale diverse a frequenze più elevate. Scegli un materiale con una tangente a bassa perdita per una migliore integrità del segnale.

La linea di fondo

Scegliere il materiale giusto per il tuo circuito stampato è un grosso problema. Può davvero influenzare il funzionamento del tuo circuito, quanto dura, e quanto costa costruirlo. Devi considerare cose come: questa roba può condurre bene l'elettricità?? How about heat – does it dissipate that effectively? Resisterà fisicamente nel tempo?? Può sopportare l'esposizione a qualsiasi sostanza chimica o condizione coinvolta qui?? A seconda dell'applicazione, potrebbe essere necessario pensare anche ai fattori ambientali. Comprendendo i punti di forza e i limiti di ciascun materiale PCB, gli ingegneri possono scegliere quello ottimale per i loro specifici obiettivi di progetto. Se hai bisogno di aiuto nella scelta del materiale PCB, prova a chiedere aiuto a Tecnologia MOKO.