Da leggere assolutamente: Guida ai materiali per PCB

Quando si parla di elettronica, i PCB sono gli eroi non celebrati che fanno funzionare tutto senza intoppi. Sono come le strade che collegano tutte le parti di una città, permettendo ai segnali di viaggiare dove devono andare. E proprio come si desidera che le strade siano fatte di materiali affidabili in grado di gestire il traffico, si desidera che i PCB siano costruiti in modo robusto. Il materiale del PCB che si sceglie è importante. Determina le prestazioni e la resistenza del dispositivo durante l'uso quotidiano. Fortunatamente, è disponibile una vasta gamma di materiali, adatti alle specifiche esigenze di prestazioni del progetto. Questa guida vi illustrerà i principali materiali per PCB tra cui scegliere e cosa rende ognuno di essi unico. Quindi, iniziamo!

Di cosa sono fatti i circuiti stampati?

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

• Strato di substrato

PCB strato di substrato È come le fondamenta di una casa: è la base su cui si costruisce tutto il resto di un circuito stampato. Di solito, questo strato è realizzato in fibra di vetro, che conferisce ai PCB la loro rigidità distintiva. Ma la fibra di vetro non è l'unico materiale disponibile.

I substrati possono anche essere realizzati utilizzando resine epossidiche, CEM-1, G-11, metallo isolato, FR-1 o poliimmide. Ogni materiale ha le sue 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 la più diffusa.

• Strato conduttivo

Se lo strato di substrato è la base di un circuito stampato, si può 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 alimentazione attraverso il circuito.

Il rame è diventato il materiale di riferimento per lo strato conduttivo perché è un ottimo conduttore e più economico di altre opzioni come l'argento o l'oro. Certo, questi materiali sono leggermente più conduttivi, ma il rame è adatto alla maggior parte delle applicazioni.

Il conduttore tracce su un PCB Sono come piccole autostrade in rame che trasportano l'elettricità a tutti i diversi componenti. La disposizione e la progettazione di queste tracce sono fondamentali per garantire che i segnali possano viaggiare in modo rapido ed efficiente.

• Strato maschera di saldatura

Lo strato di maschera di saldatura, un sottile rivestimento simile alla plastica, viene posizionato sulle tracce di rame su un PCB bordoQuesto strato funge da isolante impedendo alla saldatura di creare ponti tra le piste di rame adiacenti durante l'assemblaggio del PCB. La maschera di saldatura svolge quindi un ruolo chiave nel prevenire la formazione di connessioni elettriche indesiderate. Esponendo solo i punti di saldatura desiderati, la maschera di saldatura guida la saldatura per realizzare connessioni corrette ed evitare cortocircuiti. Esistono diversi materiali utilizzati per la maschera di saldatura, a seconda del metodo di applicazione: resina epossidica liquida, film secco e liquido fotosensibile.

• Strato serigrafico

 strato serigrafico su un circuito stampato È come una mappa stradale per la costruzione dell'elettronica. Questo inchiostro epossidico viene stampato sulla parte superiore del PCB nelle fasi finali. Mostra dove posizionare ogni componente con etichette e marcature utili. Oltre all'etichettatura, la serigrafia indica anche avvertenze importanti o loghi del produttore. Tutti quei piccoli simboli e codici stampati con inchiostro bianco forniscono una guida fondamentale per la costruzione e il debugging.

Tipi comuni di materiale PCB

1. FR-4 (ritardante di fiamma 4)

FR-4 è diventato il materiale predominante per i circuiti stampati grazie alla sua combinazione ottimale di prezzo accessibile, prestazioni affidabili e semplicità di produzione. È composto da un tessuto in fibra di vetro intrecciata, impregnato di resina epossidica e rinforzato con un materiale ignifugo. Circuiti stampati FR-4 Fornisce un efficace isolamento elettrico e robustezza strutturale, pur rimanendo funzionalmente stabile sia ad alte che a basse temperature. Questa versatilità rende l'FR-4 una scelta ideale per i PCB in vari prodotti, tra cui elettronica di consumo, dispositivi di telecomunicazione e macchinari industriali.

2. CEM-3

Come l'FR-4, il CEM-3 è realizzato in fibre di vetro intrecciate imbevute di resina epossidica. Questo gli conferisce molte delle proprietà desiderabili dell'FR-4: eccellente isolamento elettrico, resistenza meccanica e stabilità termica. Ma il CEM-3 si distingue per essere leggermente più economico. disegni di circuiti Per chi non necessita del massimo delle prestazioni, gli ingegneri attenti ai costi spesso optano per il CEM-3 invece del più costoso FR-4. Quindi, mentre il venerabile FR-4 regna ancora sovrano per le applicazioni avanzate, il CEM-3 offre un'opzione interessante per le esigenze più quotidiane dei PCB. Il suo equilibrio di funzionalità e il prezzo contenuto rendono il CEM-3 un materiale di backend affidabile per tutti i tipi di componenti elettronici.

3. poliimmide

La poliimmide è un materiale polimerico versatile, ideale per circuiti stampati in ambienti difficili. L'impareggiabile stabilità termica, la flessibilità meccanica e la resistenza chimica della poliimmide le consentono di mantenere la sua integrità e funzionalità anche in ambienti operativi estremamente 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, abbinata alla flessibilità strutturale, rende la poliimmide adatta all'elettronica di importanza critica in molti settori, tra cui quello aerospaziale, 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 la sua bassa costante dielettrica e la tangente di perdita, che limitano la degradazione e la distorsione del segnale. Presenta inoltre un'eccezionale stabilità termica grazie all'elevata temperatura di transizione vetrosa. I PCB in Teflon mantengono la loro struttura e integrità delle prestazioni anche se esposti a calore estremo. Infine, questo materiale per PCB presenta un'eccellente resistenza chimica, resistendo persino a sostanze chimiche aggressive che danneggerebbero altre materie plastiche.

5. Materiale PCB con nucleo metallico

I Metal Core, come suggerisce il nome, hanno un nucleo metallico, tipicamente in alluminio, per una migliore dissipazione del calore. Vengono utilizzati moltissimo quando i componenti raggiungono temperature elevatissime. Stiamo parlando di luci a LED ad alta potenza, convertitori di potenza, componenti elettronici per autoveicoli: qualsiasi cosa che produca calore elevato. Quindi, la prossima volta che costruite componenti elettronici in cui le cose diventano spaventosamente calde, pannelli con anima metallica ti proteggiamo! Il nucleo metallico integrato facilita la dissipazione del calore dai componenti sensibili alla temperatura, evitando così condizioni di surriscaldamento e favorendo prestazioni costanti.

6. materiale Rogers

Rogers Corporation si distingue come fornitore leader di materiali per PCB, offrendo prodotti ad alte prestazioni per applicazioni complesse. Le sue popolari serie RO4000 e RO3000 soddisfano esigenze di alta frequenza, alta temperatura e alta affidabilità. I ​​materiali Rogers offrono le proprietà specifiche necessarie per prodotti come sistemi radar, attrezzature di perforazione e avionica aerospaziale, dove le prestazioni sono fondamentali. Grazie ai suoi centri di ricerca e sviluppo e produzione interni, Rogers produce materiali per PCB di alta qualità, apprezzati dai produttori attenti alla qualità per schede mission-critical. Quando i circuiti devono funzionare in modo impeccabile in condizioni estreme, Rogers è all'altezza.

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

Fattori da considerare nella scelta del materiale per PCB

Quando si seleziona un materiale per fabbricazione di circuiti stampati:

Prestazioni elettriche

• Costante dielettrica (Dk): influenza la velocità di propagazione del segnale e il controllo dell'impedenza. Valori di Dk più elevati possono comportare velocità del segnale inferiori.
• Fattore di dissipazione (Df): influenza le perdite di segnale e l'efficienza energetica. Valori Df più bassi sono preferibili 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 rigid-flex, indicando la loro resistenza alla flessione e alla piegatura.

Proprietà termali

• Conduttività termica: fondamentale per la dissipazione del calore nei componenti ad alto consumo energetico. Un'elevata conduttività termica contribuisce a dissipare il calore in modo più efficiente.
• Coefficiente di espansione termica (CTE): una mancata corrispondenza tra il CTE del PCB e quello del componente può causare problemi di affidabilità dovuti ai cicli termici.

Infiammabilità e resistenza alla fiamma

• Classificazione UL: la classificazione UL 94 classifica i materiali in base alle loro proprietà di infiammabilità e autoestinguenza. Ad esempio, V-0 è più resistente alla fiamma di V-2.

Considerazioni sui costi

• I costi dei materiali per PCB possono variare significativamente. Materiali ad alte prestazioni come il PTFE (Teflon) tendono ad essere più costosi dell'FR-4, un comune materiale epossidico.

Produttività

• Compatibilità con i processi di assemblaggio: alcuni materiali potrebbero richiedere attrezzature o metodi di lavorazione specializzati che potrebbero influire sui costi di produzione.
• Perforabilità e lavorabilità: i materiali devono 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 determinate sostanze tossiche.
• Riciclo e smaltimento: valutare la facilità di riciclaggio e smaltimento del materiale al termine del ciclo di vita del PCB.

Integrità del segnale e frequenza

• Applicazioni ad alta frequenza: materiali diversi presentano caratteristiche di perdita di segnale variabili alle frequenze più elevate. Scegliere un materiale con una tangente a bassa perdita per una migliore integrità del segnale.

Conclusione

Scegliere il materiale giusto per il tuo circuito stampato è fondamentale. Può influire notevolmente sul suo funzionamento, sulla sua durata e sui costi di produzione. Devi considerare aspetti come: questo materiale conduce bene l'elettricità? E il calore: lo dissipa efficacemente? Resisterà fisicamente nel tempo? Può sopportare l'esposizione a qualsiasi sostanza chimica o condizione coinvolta? A seconda dell'applicazione, potresti dover considerare anche i fattori ambientali. Comprendendo i punti di forza e i limiti di ciascun materiale per PCB, gli ingegneri possono scegliere quello ottimale per i loro specifici obiettivi di progetto. Se hai bisogno di aiuto nella scelta del materiale per PCB, prova a chiedere aiuto a Tecnologia MOKO.