Materiali di base per PCB, da FR-4 a Rogers e flex

Il materiale di base di un circuito stampato (PCB) è lo strato isolante (il dielettrico) che sostiene il rame. Esso determina quanta temperatura la scheda sopporta, con quale velocità i segnali viaggiano lungo di essa, con quale efficacia disperde il calore e se si piega. La maggior parte delle schede usa lo stesso materiale; ne serve un altro solo se vi è un motivo.

Che cos'è un laminato

Una scheda rigida nasce come laminato: un foglio di materiale isolante con lamina di rame incollata su uno o su entrambi i lati. L'isolante è di solito fibra di vetro tessuta, impregnata di resina e polimerizzata. Gli strati di una scheda multistrato sono tenuti insieme dal prepreg, un tessuto di vetro con resina parzialmente polimerizzata che fonde e incolla durante la laminazione. Tre numeri descrivono un laminato per la maggior parte degli scopi:

1. Lamina di rame, incollata alla faccia.
2. Resina: la resina epossidica polimerizzata che tiene insieme il tutto e isola.
3. Tessuto di vetro: gli ovali sono fasci di fibre tagliati di traverso, il filo ondulato corre in lunghezza. Dà resistenza e uno spessore costante.
4. Rame sull'altra faccia. Un nucleo ha la lamina su entrambi i lati e il motivo in rame viene inciso da essa in seguito.

• Tg (temperatura di transizione vetrosa). La temperatura alla quale la resina passa da rigida a morbida. Al di sopra della Tg la scheda si espande molto più rapidamente e sollecita i fori e la metallizzazione.
• Dk (costante dielettrica) e Df (fattore di dissipazione). Quanto fortemente il materiale influisce sui segnali elettrici e quanta energia del segnale assorbe. Contano alle alte frequenze e per il controllo di impedenza.
• Conducibilità termica. Con quale efficacia il calore fluisce attraverso il dielettrico.

FR-4

FR-4 è il nome comune del laminato epossidico rinforzato con vetro con un additivo ritardante di fiamma. È economico, resistente, facile da lavorare e sufficiente per la maggior parte dell'elettronica. Il suo Dk è in genere circa da 4 a 4,6, a seconda del contenuto di resina e della frequenza, e varia da lotto a lotto e tra produttori, quindi chi progetta e ha bisogno di un valore preciso lo ricava dallo stack-up.

L'FR-4 è disponibile in gradi, distinti soprattutto per la Tg:

La lega saldante senza piombo fonde a una temperatura più alta della lega stagno-piombo e la scheda passa nel forno alla temperatura più alta, a volte due volte. Le schede con molti strati, le schede spesse e le schede che saranno rilavorate traggono vantaggio da una Tg più alta. Un valore collegato, Td (temperatura di decomposizione), indica quando la resina inizia a perdere massa ed è un altro motivo per scegliere un grado migliore per impieghi gravosi.

Al di sopra della sua Tg la resina si ammorbidisce e la scheda si espande molto più rapidamente. Il disegno confronta due gradi.

1. La Tg di un grado più basso: al di sopra di questa temperatura la scheda si espande molto più rapidamente.
2. La Tg di un grado più alto: la scheda resta rigida fino a una temperatura più alta.

Sono in vendita altre varianti di FR-4: versioni senza alogeni per i mercati che le richiedono e gradi con una migliore resistenza ai filamenti anodici conduttivi (un guasto lento dentro la scheda). Le chieda quando il Suo prodotto ne ha bisogno.

Schede a nucleo metallico (alluminio e rame)

Una scheda a nucleo metallico unisce un sottile strato circuitale in rame, attraverso un sottile strato isolante, a una base metallica, di solito in alluminio e a volte in rame. Lo scopo è il calore: lo strato isolante è fatto per condurre il calore molto meglio dell'FR-4 e il metallo lo diffonde. Gli impieghi tipici sono l'illuminazione a LED e la conversione di potenza.

Aspetti da conoscere:

• La maggior parte è a faccia singola; esistono versioni a doppia faccia e multistrato e costano di più.
• La conducibilità termica dello strato dielettrico varia molto tra i gradi, quindi vale la pena chiedere il valore riportato sulla scheda tecnica.
• L'alluminio si espande in modo diverso dai componenti su di esso, il che può sollecitare componenti ceramici grandi e giunti di saldatura durante i cicli di temperatura.
• Forare e fresare una scheda metallica è più lento e la scheda è più pesante. Chieda informazioni sui limiti.

Laminati ad alta frequenza (Rogers, PTFE e altri)

Alle frequenze radio e a microonde, l'FR-4 standard perde troppo segnale e il suo Dk varia troppo. I laminati speciali hanno un Dk più basso e più stabile e un Df molto più basso. Si dividono in due gruppi: a base di PTFE (tipo Teflon) e materiali a base di idrocarburi caricati con ceramica o simili. Rogers Corporation è un produttore noto; altri produttori vendono equivalenti. I valori di Dk vanno circa da 2 a 10 tra le famiglie, quindi la scelta segue il progetto.

Aspetti pratici:

• Costano di più per unità di area rispetto all'FR-4.
• Possono richiedere lavorazioni speciali, poiché il PTFE è morbido e scivoloso.
• Molti progetti usano una soluzione ibrida: un sottile strato ad alta frequenza per la parte radio e FR-4 per il resto, il che riduce il costo ma richiede uno stack-up realizzabile dalla fabbrica.
• Chieda alla fabbrica quali marche e spessori può fornire prima di progettare la scheda intorno a uno di essi.

Raramente ne ha bisogno al di sotto di 1 GHz. Tra 1 e pochi gigahertz, una progettazione accurata in FR-4 funziona per molti prodotti; al di sopra, o quando le perdite contano, un laminato migliore diventa la scelta corretta.

Schede flessibili e rigido-flessibili

Una scheda flessibile è realizzata su film di poliimmide, non su fibra di vetro. Si piega e può essere piegata una volta per adattarsi, oppure piegata ripetutamente in una parte in movimento. I due impieghi sono diversi: una piega fatta una volta è una piega statica, una piegatura ripetuta è una piega dinamica e le regole di progettazione (tipo di rame, raggio di piega, instradamento delle piste) non sono le stesse. Il rigido-flessibile combina sezioni rigide e collegamenti flessibili in un unico pezzo.

Aspetti da ricordare:

• Il flessibile richiede un raggio di piega che dipende dal suo spessore; i progettisti usano un multiplo dello spessore totale, con multipli maggiori per più strati e per l'impiego dinamico.
• Gli irrigidimenti (materiale rigido aggiuntivo incollato dietro le aree dei connettori) vengono aggiunti dove sono montati i componenti o dove si inserisce un connettore.
• Il flessibile e il rigido-flessibile costano molto di più per unità di area rispetto all'FR-4.
• Il flessibile assorbe umidità e deve essere asciugato prima del montaggio.

1. FR-4: rame, un nucleo rigido di tessuto di vetro in resina (le righe), rame.
2. Nucleo metallico: un circuito in rame, un sottile strato isolante, poi una spessa base metallica.
3. Flessibile: un film sottile con rame sopra. Si piega invece di restare piatto.
4. Il calore di un componente su una scheda a nucleo metallico scende attraverso il sottile isolante nella base.

Come scegliere

1. Parta dall'FR-4. Scelga la Tg in base al processo di saldatura e al numero di strati.
2. Scelga un nucleo metallico quando il calore di pochi componenti è il problema e faccia uscire il calore attraverso la scheda.
3. Scelga un laminato ad alta frequenza quando le perdite o un Dk stabile determinano le prestazioni, di solito per la radio.
4. Scelga il flessibile quando il prodotto si muove o deve adattarsi a una forma che una scheda rigida non può assumere.
5. In caso di dubbio, chieda alla fabbrica prima di progettare la scheda intorno a un materiale.

Come si presenta quando ordina qui

I materiali, gli spessori e i processi speciali offerti sono elencati nella pagina delle capacità produttive e l'elenco in vigore è l'elenco che conta. La fabbrica lavora con FR-4, alluminio, rame e substrati flessibili e con materiali ad alta Tg, senza alogeni e ad alta frequenza. Quali di questi Lei può ordinare tramite il sito è stabilito nella pagina delle capacità produttive e un ingegnere conferma ogni ordine. Stack-up e impedenza sono trattati in Peso del rame, stack-up e impedenza.