Il dielettrico per PCB si riferisce a un materiale di natura non conduttiva, molto importante nella realizzazione dei circuiti stampati. Questi materiali fungono da isolanti e da barriere tra gli strati conduttivi, impedendo connessioni dirette e mantenendo puliti i segnali. Con l'aumentare del livello di integrazione, la scelta del materiale dielettrico da utilizzare nei circuiti stampati è diventata fondamentale per ottenere prestazioni soddisfacenti nelle applicazioni critiche. In questo articolo, parleremo di 4 materiali dielettrici per PCB comunemente utilizzati e forniremo alcuni consigli su come scegliere il migliore. Iniziamo con la sua definizione.
Cosa sono i materiali dielettrici?
I dielettrici sono materiali che non offrono conduttività e hanno la capacità di trattenere le cariche elettriche e impedirne il flusso attraverso il materiale. Due proprietà distinguono questi materiali: una è la costante dielettrica, che indica quanto bene i materiali possono immagazzinare e trasferire energia elettrica. L'altra è fattore di dissipazione, che misura la scarsa capacità dei materiali di immagazzinare energia elettrica. Un materiale dielettrico nei PCB viene utilizzato tra le tracce conduttive e i punti di isolamento elettrico, in modo da evitare cortocircuiti o interferenze di segnale. I materiali dielettrici utilizzati nella scheda consentono la capacità della scheda, essenziale nei circuiti ad alta frequenza e "alta velocità". I loro valori influenzano le prestazioni elettriche, termiche e meccaniche del PCB, tra cui la costante dielettrica, la conduttività termica e la resistenza meccanica del materiale.
Tipi di materiali dielettrici per PCB
FR-4 (ritardante di fiamma 4)
FR-4 (Flame Retardant 4) è uno dei materiali dielettrici più diffusi per la produzione di circuiti stampati. Si tratta di un materiale composito FC costituito da fibra di vetro rinforzata e legante in resina epossidica. FR-4 presenta buone resistività elettrica, proprietà meccaniche e resistenza al fuoco, pertanto può essere utilizzato in numerose applicazioni. Tuttavia, le sue applicazioni sono limitate nei sistemi ad alta frequenza e alta velocità, poiché la costante dielettrica di FR-4 è relativamente elevata.
Ulteriori letture: Una guida completa alla conduttività termica di FR4
CEM-1, CEM-2 e CEM-3
CEM-1, CEM-2 e CEM-3 sono materiali dielettrici compositi riempiti di ceramica, ampiamente utilizzati in applicazioni ad alta frequenza e PCB ad alta velocitàQuesti materiali hanno una costante dielettrica e un fattore di dissipazione inferiori rispetto all'FR-4, il che riduce le perdite e la degradazione del segnale. Presentano inoltre ottimi coefficienti termici, che aiutano nella gestione del calore generato all'interno del sistema. Tuttavia, questi materiali sono solitamente costosi e richiedono processi di produzione specializzati.
Politetrafluoroetilene (PTFE)
Il politetrafluoroetilene (PTFE) è un materiale fluoropolimero con proprietà elettriche come la costante dielettrica e il fattore di dissipazione. I materiali dielettrici realizzati in polimero PTFE sono ideali per circuiti ad alta frequenza e per la trasmissione di segnali a microonde, nonché per circuiti destinati all'uso in ambienti chimicamente aggressivi e ad alte temperature. Tuttavia, possono essere più costosi e presentare caratteristiche meccaniche molto restrittive rispetto ad altri materiali.
poliimmide
La poliimmide è un materiale dielettrico per PCB che può essere utilizzato in applicazioni ad alta temperatura di esercizio grazie alla sua stabilità termica, alla bassa capacità di assorbimento dell'umidità e al buon valore dielettrico. Questo tipo di materiale è comunemente utilizzato in circuiti flessibili e rigido-flessibili e in circuiti che devono essere utilizzati ad alte temperature o esposti ad agenti chimici aggressivi. Tuttavia, potrebbero essere più costosi e talvolta la loro elaborazione è più complessa.
Proprietà da considerare nella selezione dei materiali dielettrici per PCB
Nella scelta dei materiali dielettrici per i circuiti stampati, è essenziale considerare le seguenti 4 proprietà chiave:
Proprietà elettriche
- Costante dielettrica (DK)
Questo valore mostra quanta energia elettrica il materiale può contenere in base alla costante dielettrica. Questa proprietà influenza la velocità dei segnali e l'impedenza; valori bassi di DK sono preferibili nelle applicazioni ad alta velocità.
- Fattore di dissipazione (DF)
Il fattore di dissipazione determina le perdite dielettriche e valori caratterizzati da valori di DF inferiori sono adatti all'uso ad alta frequenza. Influisce sull'attenuazione del segnale e sulle prestazioni.
- Forza elettrica
La rigidità dielettrica si riferisce all'intensità di sollecitazione elettrica che un materiale è in grado di sopportare prima di rompersi. Questo è molto importante per le applicazioni ad alta tensione, per garantire affidabilità e sicurezza.
Proprietà termali
- Temperatura di transizione vetrosa (Tg)
Questa è la temperatura alla quale un polimero passa da uno stato duro e vetroso a uno stato morbido e gommoso. Per applicazioni meccaniche, soprattutto quelle che operano ad alte temperature, si tende a utilizzare materiali con elevata Tg.
- Coefficiente di espansione termica (CTE)
Il CTE definisce l'entità dell'espansione o del restringimento del materiale al variare della temperatura. Un'altra considerazione da fare è cercare di rendere il CTE dei materiali dielettrici utilizzati uguale a quello del rame, al fine di ridurre al minimo lo stress meccanico e i guasti durante l'uso continuo o i cicli termici.
- Conduttività termica
La conduttività termica misura l'efficacia con cui un materiale trasferisce i flussi di calore dalla zona ad alta temperatura a quella a bassa temperatura. Pertanto, una maggiore conduttività termica riduce il problema dell'efficiente dissipazione del calore, importante soprattutto nei circuiti elettronici.
Proprietà chimiche
- assorbimento dell'umidità
L'assorbimento di umidità si riferisce alla quantità di acqua che un determinato materiale è in grado di assorbire. È preferibile una minore umidità per non compromettere le proprietà elettriche e caratteristiche come la delaminazione.
- Resistenza chimica
Questa proprietà misura la capacità del materiale di resistere all'azione di fluidi o solventi, acidi e altre sostanze chimiche. È un parametro importante per valutare se un PCB può essere utilizzato in ambienti difficili.
Conclusione
La scelta del materiale dielettrico per un circuito stampato è un fattore molto importante. Può influire notevolmente sulle prestazioni della scheda, sulla sua affidabilità e sulla sua applicabilità per lo scopo previsto. Come accennato in questo blog, ogni materiale dielettrico ha caratteristiche diverse, tra cui elettriche, termiche, meccaniche e chimiche. Ancora non sei sicuro di quale materiale sia perfetto per il tuo progetto? Contattaci subitoI nostri ingegneri sono sempre disponibili per assistervi e darvi i migliori consigli per scegliere il materiale dielettrico più adatto per la vostra scheda PCB.
