La prima e più importante cosa da fare è scegliere il giusto materiale per il substrato del PCB per la sua produzione. I produttori utilizzano molti tipi di materiali per il substrato, con proprietà diverse. Questo articolo ti guiderà nella scelta del materiale per il substrato del PCB più adatto al tuo progetto. Inoltre, imparerai a conoscere i diversi tipi di substrato per PCB.
Substrati PCB: tutte le principali proprietà del materiale dielettrico
Questo materiale consente di ottenere una quantità minima di elettricità dal circuito, poiché tra due strati conduttivi è presente uno strato isolante. Ad esempio, l'FR-4 è il tipo di materiale dielettrico più comune. È necessario considerarne le proprietà prima di sceglierlo per il proprio circuito stampato.
Ecco le 4 proprietà più importanti del materiale dielettrico:
Proprietà termali
Consideriamo le proprietà termiche del materiale del substrato:
Temperatura di transizione del vetro
Un intervallo di temperatura in cui uno stato vetroso o rigido del substrato del PCB si trasforma in uno stato ammorbidito o deformabile. Le proprietà del materiale ritornano allo stato originale dopo il raffreddamento. Questo intervallo di temperatura può essere espresso in unità Tg. La temperatura deve essere misurata in gradi Celsius.
Temperatura di decomposizione
Td è un'espressione utilizzata per la temperatura di decomposizione. È un metodo di decomposizione chimica in cui il materiale può perdere fino al 5% della massa. L'unità di misura di Td è oC.
In questo processo, le proprietà sono reversibili o meno. Quando un substrato raggiunge la sua temperatura di decomposizione, si verifica un cambiamento nelle proprietà del materiale. Dopo questo cambiamento, le proprietà dei materiali non sono reversibili. D'altra parte, le proprietà sono reversibili alla temperatura di transizione vetrosa.
Dovresti scegliere un materiale di substrato per il quale l'intervallo di temperatura sia inferiore a Td e superiore a Tg. Quindi l'intervallo di temperatura può essere compreso tra 200 e 250 oC. Pertanto, cercare di impostare Td più alto di questo.
Coefficiente di espansione termica
Il CTE indica la velocità con cui un materiale per PCB si espande dopo il riscaldamento. Il CTE può essere espresso in parti/milioni. Quando la temperatura del materiale supera la Tg, anche il CTE inizia ad aumentare. La maggior parte dei substrati presenta un CTE superiore a quello del rame. L'aumento della temperatura del PCB può causare problemi di interconnessione.
Il CTE è basso comparativamente lungo gli assi X e Y. L'intervallo del CTE è compreso tra 10 e 20 ppm per oC lungo questi assi. Ciò avviene a causa del vetro intrecciato. A causa di ciò, il materiale è vincolato lungo questi assi. Di conseguenza, non si verificano variazioni significative nel CTE quando la temperatura supera la Tg.
A causa del vetro intrecciato, il materiale si espande lungo l'asse Z. Pertanto, il valore di CTE dovrebbe essere il più basso possibile lungo questo asse. Si dovrebbe cercare di mantenerlo inferiore a 70 ppm per oC. Il CTE aumenterà quando il materiale supera la Tg.
Oltre a questo, è anche possibile determinare la Tg del materiale utilizzando il CTE. Tutto ciò che serve è tracciare una curva temperatura-spostamento.
Conduttività termica
Questa proprietà riguarda la conduzione del calore. È possibile rappresentare il valore della conduttività termica utilizzando k. Una bassa conduttività termica indica un basso trasferimento di calore e viceversa. È possibile misurare la conduttività termica di un materiale in watt per metro ºC.
La maggior parte dei materiali di substrato dei PCB presenta una conduttività termica compresa tra 0.3 e 0.6 W/M-ºC. Questa conduttività termica è notevolmente inferiore rispetto a quella del rame. Il k del rame è di circa 386 W/M-ºC. Pertanto, gli strati piani di rame assorbono più calore rispetto al materiale dielettrico in un circuito stampato.
Proprietà elettriche
Permività relativa della costante dielettrica (Dk o Er)
È molto importante considerare la costante dielettrica del materiale per verificare l'impedenza e l'integrità del segnale. Entrambi sono fattori importanti per le prestazioni elettriche ad alta frequenza. L'intervallo di Er è compreso tra 2.5 e 4.5 nella maggior parte dei materiali di substrato dei PCB.
Il valore della costante dielettrica dipende dalla frequenza. All'aumentare della frequenza, il suo valore diminuisce. Inoltre, questa variazione dipende ulteriormente dal tipo di materiale. Il materiale più appropriato per applicazioni ad alta frequenza in cui la costante dielettrica rimane pressoché invariata per un'ampia gamma di frequenze.
Fattore di dissipazione o tangente di perdita dielettrica (Df Tan δ)
La tangente di perdita di un materiale fornisce una misura della potenza persa a causa del materiale stesso. Se la tangente di perdita è inferiore in un materiale, si tradurrà in una minore perdita di potenza. L'intervallo di Tan δ nella maggior parte dei materiali per circuiti stampati è 0.02. Inoltre, il valore di Tan δ può essere 0.001 per materiali a bassa perdita e di alta qualità. Il valore di Tan δ aumenta all'aumentare della frequenza.
Sebbene la tangente di perdita non abbia un'importanza significativa per i circuiti digitali, lo è per le alte frequenze superiori a 1 GHz. Inoltre, la tangente di perdita è essenziale per i segnali analogici perché aiuta a individuare il grado di diminuzione del segnale.
Volume resistività
I produttori chiamano la resistività di volume "resistività elettrica". È utile per misurare l'isolamento o la resistenza elettrica del materiale. Se la resistività del materiale è elevata, ci sarà meno movimento di carica elettrica nel circuito. L'unità di misura internazionale della resistività nel sistema è Ω-m.
Gli isolanti dielettrici hanno un valore di resistività molto elevato. L'intervallo di resistività può variare da 10⁶ a 10¹⁰ Megaohm-centimetri. Umidità e temperatura influenzano la resistività.
Resistività superficiale – ρS
La resistività superficiale, o ρS, include la resistenza elettrica o di isolamento del materiale di un circuito stampato. Deve inoltre avere un valore di resistività superficiale molto elevato, simile alla resistività di volume. Pertanto, il valore della resistività superficiale dovrebbe essere compreso tra 10⁶ e 10¹⁰ Megaohm per quadrato.
Forza elettrica
Questa proprietà aiuta a misurare la capacità di resistenza del materiale del circuito stampato. Indica la capacità di un materiale di resistere alla scarica elettrica lungo l'asse Z. L'unità di misura internazionale per la rigidità dielettrica è il Volt/milione di zeri. La maggior parte dei materiali dielettrici ha un valore di rigidità dielettrica compreso tra 800 e 1500 Volt/milione di zeri.
Proprietà chimiche
Specifiche di infiammabilità – UL94
Si tratta di uno standard di infiammabilità delle materie plastiche che classifica la plastica dal ritardante di fiamma più basso a quello più alto. È quindi molto utile per testare gli elettrodomestici in materiale plastico. Underwriters Laboratories (UL) definisce questo standard. Ecco alcuni requisiti essenziali di questo standard:
- I campioni con combustione fiammeggiante non bruceranno per un massimo di 10 secondi dopo l'accensione della fiamma di prova.
- Il tempo di combustione totale non sarà superiore a 50 secondi. Questo tempo si riferisce alle dieci fiamme per il set di cinque esemplari.
- Con la combustione incandescente i campioni non bruceranno fino al morsetto di fissaggio.
- Inoltre, non gocciola elementi ardenti che potrebbero incendiare il cotone chirurgico spugnoso e asciutto. Il cotone si trova 300 mm sotto i campioni di prova.
- Dopo l'2ndrimuovendo la fiamma di prova, i campioni potrebbero non avere una combustione brillante che duri circa 20 secondi.
assorbimento dell'umidità
Si tratta della capacità di resistenza all'acqua di un materiale per circuiti stampati. È possibile osservare l'incremento percentuale del peso di un circuito stampato dopo l'assorbimento di acqua. Inoltre, è possibile calcolare questa percentuale utilizzando diversi metodi di prova. La maggior parte dei materiali può assorbire acqua tra lo 0.01% e lo 0.20%.
L'assorbimento di umidità può influenzare diverse proprietà del materiale del circuito stampato. Ad esempio, può influenzare le proprietà elettriche e termiche del materiale. Inoltre, influisce sulla capacità di resistere al filamento conduttivo dell'anodo quando il circuito è acceso.
Resistenza al cloruro di metilene
Aiuta a misurare la resistenza chimica del pannello. In particolare, è possibile verificare la resistenza di un pannello all'assorbimento di cloruro di metilene.
È possibile indicare il suo valore in percentuale. Si noterà l'aumento di peso dopo l'assorbimento di cloruro di metilene. Questo avviene in condizioni controllate. La maggior parte del materiale del substrato del PCB ha una capacità di resistenza compresa tra lo 0.01% e lo 0.20%, simile all'assorbimento di umidità.
Proprietà meccaniche
Peel Forza
Indica la forza di legame tra il materiale dielettrico e il conduttore di rame. L'unità di misura per esprimere la resistenza al distacco è la libbra di forza per pollice lineare. È possibile indicarla con la sigla PLI.
I test di resistenza al distacco dipendono dallo spessore del substrato del PCB. Ad esempio, per i test sono necessarie tracce di rame spesse 1 g. Inoltre, dopo il processo di produzione standard del circuito stampato, sono necessarie tracce di rame larghe da 32 a 124 mm. È possibile completare questo processo in tre condizioni:
- Stress termico: Dopo aver lasciato galleggiare il campione sulla saldatura per 10 secondi a 288 ºC.
- Temperatura elevata: Dopo aver esposto il campione al fluido a 125 °C. In alternativa, è possibile esporlo all'aria calda.
- Esposizione a sostanze chimiche di processo: Dopo aver esposto il campione a una serie di processi chimici e termici.
Resistenza alla flessione
Indica la capacità di un materiale di sopportare sollecitazioni meccaniche senza rompersi. Il suo valore può essere espresso in kg/metro quadrato o libbre/pollice quadrato.
Il meccanismo di prova della resistenza alla flessione è molto semplice. È possibile eseguirlo sostenendo una scheda all'estremità e caricandone il centro. Lo standard per schede rigide e multistrato è l'IPC-4101.
Modulo di Young
Modulo di trazione è un altro termine per questo modulo. Indica la resistenza del materiale sul circuito stampato. Questo modulo misura il rapporto tra sforzo e deformazione in una direzione specifica. Alcuni produttori misurano la resistenza utilizzando questo modulo anziché la resistenza a flessione. È possibile esprimere il suo valore in forza per unità di superficie.
Densità
La densità di un circuito stampato può essere misurata in grammi per centimetro cubo. Alcuni produttori, inoltre, indicano il valore in libbre/pollici cubi.
Tempo di delaminazione
Questo fattore indica il tempo di resistenza di un circuito stampato alla delaminazione. La delaminazione può verificarsi a causa di shock termico, umidità o una temperatura di transizione (Tg) errata nel materiale. Inoltre, può verificarsi anche a causa di un processo di laminazione non adeguato.
Qual è il modo migliore per selezionare i materiali del substrato per il tuo PCB?
Esistono moltissimi tipi di substrati per PCB disponibili sul mercato. Questi variano in spessore e resistenza. Trovare il substrato di migliore qualità per i propri circuiti stampati è quindi molto difficile. Inoltre, trovare un substrato adatto senza una conoscenza approfondita può diventare un vero grattacapo.
Selezionare il tipo di substrato PCB più adatto alle tue esigenze non è un problema, perché hai già imparato tutti i criteri per la selezione del substrato. Devi considerare:
- Proprietà termali
- Proprietà elettriche
- Proprietà chimiche
- Proprietà meccaniche
Se hai familiarità con queste proprietà, puoi scegliere un substrato di alta qualità per i tuoi circuiti stampati. Inoltre, dovresti considerare anche lo spessore del substrato del PCB per la tua scheda.
Oltre alle proprietà del substrato, è necessario considerare anche alcune caratteristiche importanti. Eccone alcune:
| PCB Materiale | Utilizzo tipico | DK | Tg (oC) | Tipo di scheda consigliato |
| FR-4 | Substrato, laminato | da 4.2 a 4.8 | 135 | Standard |
| CEM-1 | Substrato, laminato | da 4.5 a 5.4 | 150 - 210 | Alta densità |
| RF-35 | Supporto | 3.5 | 130 | Alta densità |
| Teflon | Laminato | da 2.5 a 2.8 | 160 | Microonde, alta potenza, alta frequenza |
| poliimmide | Supporto | 3.8 | > = 250 | Alta potenza, microonde, alta frequenza |
| PTFE | Supporto | 2.1 | da 240 a 280 | Microonde, alta potenza, alta frequenza |
Tipi di materiale del substrato PCB
I circuiti stampati sono costituiti da due strati di materiale: uno superiore e uno inferiore. Lo strato superiore è molto importante per molti scopi, come le reazioni. Inoltre, la progettazione del circuito dipende da questo film.
Allo stesso modo, lo strato inferiore offre un valido contributo alle finalità di progettazione. Il mercato dei substrati è stimato in quasi 51 milioni di metri quadrati in tutto il mondo. Le aziende utilizzano diversi tipi di substrati per PCB.
La maggior parte dei produttori mescola questo materiale con resina epossidica. Tuttavia, altri lo mescolano con una miscela di BT. La maggior parte delle aziende utilizza diversi strati alternativi di materiale dielettrico, con o senza rinforzo.
Ecco alcuni tipi base di substrato per PCB:
Il vetro non tessuto
Comprende la diffusione di microfibre di vetro nel substrato. Sono molto efficaci alle alte frequenze. Tuttavia, il fattore di dispersione nel tessuto non tessuto di vetro non è significativo.
Vetro intrecciato
È un altro tipo di substrato per PCB molto diffuso. Il tessuto di vetro intrecciato è l'elemento costitutivo di questo substrato. Tuttavia, non è adatto a causa della sua scarsa stabilità termica e meccanica.
Pieno
Presenta un intervallo specifico di costante dielettrica. Alcuni materiali, come la ceramica, ne aumentano la costante dielettrica.
Esistono diversi modi per selezionare il substrato per la tua scheda. Il modo più importante è avvalersi dell'assistenza del competente team di ingegneri dei produttori.
Inoltre, è possibile categorizzare il substrato in 4 diverse categorie come segue:
Pannello rigido/rigido
I produttori lo usano per mantenere la forma di un circuito stampato in tutta la sua lunghezza. Si tratta di circuiti stampati a base ceramica. Impedisce ai circuiti stampati di piegarsi o di assumere altre forme.
Pannelli morbidi/flessibili
Grazie alla loro flessibilità, possono essere utilizzati in molti progetti. È possibile trasformarli in qualsiasi oggetto o forma. I produttori li utilizzano quando gli oggetti devono essere piegati. Quindi, i pannelli flessibili sono la soluzione perfetta in questo caso.
PCB flessibili-rigidi
Per diverse situazioni, le aziende combinano sia pannelli flessibili che rigidi per realizzare PCB flessibili-rigidiContengono più strati come la poliimmide. L'utilizzo principale dei pannelli flex-rigidi è in applicazioni aerospaziali e militari. Inoltre, possono essere utilizzati in diverse apparecchiature mediche.
FR-4
È il substrato più economico e comune al giorno d'oggi, un laminato in fibra di vetro ed epossidico. FR è l'abbreviazione di ritardante di fiamma ed è un ottimo isolante. Il materiale contiene una buona quantità di bromuro, un alogeno non reattivo.
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Dopo aver letto questo articolo dettagliato, ora hai familiarità con i requisiti di un PCB. Allo stesso modo, sai quali fattori devi considerare prima di scegliere un substrato. Queste informazioni sono molto utili per scegliere un materiale di alta qualità per il substrato del PCB per i tuoi prodotti. Un substrato di qualità ottimale ti garantirà effetti di alta qualità e di lunga durata.
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