Il PCB, o circuito stampato, è oggi considerato un elemento fondamentale nell'industria elettronica. Utilizza tutti i tipi di piccoli dispositivi elettronici, come le calcolatrici, per dispositivi, progetti e macchine di grandi dimensioni.

La struttura del PCB determina la gamma di progetti e dispositivi a cui è destinato. Si basa sui tipi di materiali utilizzati nel PCB, che facilitano l'utilizzo delle schede in applicazioni specifiche.

Un PCB tavola La struttura è costituito da una serigrafia, una maschera di saldatura, rame e un substrato. Su questi, gli strati conduttori sono configurati per le connessioni dei componenti.

Per la realizzazione di una scheda PCB vengono utilizzati materiali diversi, che determinano le prestazioni, la durata operativa e la qualità dei progetti in cui saranno utilizzati.

Qui discuteremo dei diversi tipi di materiali utilizzati per le schede PCB, che presentano caratteristiche diverse e che influenzano le specifiche delle schede stesse. Iniziamo.

Quali sono i componenti principali del PCB?

Qui sono elencati i componenti principali delle schede PCB.

  · XNUMX€  Substrato (materiale base)

  · XNUMX€  Strato di rame

  · XNUMX€  Solder Mask

  · XNUMX€  Serigrafia

  · XNUMX€  Percorso conduttivo

Non si può negare l'importanza di tutti i componenti della scheda PCB, ognuno dei quali ha un suo significato per il funzionamento del PCB.

 Substrato (materiale base)

I materiali di base sono solitamente realizzati in resina epossidica e vengono impiegati con una miscela di fogli di rame.

I substrati o materiali di base del PCB sono i componenti principali del PCB, dove vengono configurati tutti gli altri componenti. Fungono da base per i circuiti e forniscono un supporto meccanico essenziale per i componenti collegati a bordo.

Diversi materiali di base presentano caratteristiche che contribuiscono a rendere la scheda affidabile e performante nei dispositivi connessi. Pertanto, l'uso corretto dei materiali di base definisce le prestazioni accurate della struttura della scheda.

Anche i materiali del substrato aiutano a determinare le caratteristiche fisiche di una scheda. Ad esempio, se si utilizzano materiali rigidi per aumentarne la durata, una base flessibile rende la scheda flessibile e può piegarsi facilmente.

 Strato di rame

Gli strati di rame vengono applicati ai materiali del substrato. A seconda del tipo di circuito stampato, il rivestimento in rame viene applicato su un lato per le schede monofacciali e su più lati per le schede multistrato.

Questi strati di rame vengono utilizzati per far fluire segnali elettrici o correnti tra diversi oppositori collegati su schede, come transistor, diodi, induttori, ecc. Dopo aver ricevuto i segnali da questi strati, i componenti collegati svolgono le rispettive funzioni.

 Solder Mask

Una maschera di saldatura è uno strato polimerico protettivo applicato agli strati di rame. È nota come LPISM (Liquid Photo-Immaginable Solder Mask). La sua funzione principale è proteggere gli strati di rame dall'interazione tra loro e isolarli da eventuali cortocircuiti.

Questo strato protegge inoltre le schede da diversi fattori ambientali, come l'ossidazione e la formazione di ponti di saldatura.

 Serigrafia

La serigrafia è uno strato realizzato con tracce di inchiostro che aiuta a individuare le diverse connessioni dei componenti, parti di schede, rappresentazioni simboliche dei componenti e altri dettagli di progetti correlati.

L'altro nome della serigrafia è la nomenclatura della scheda. La serigrafia viene applicata sul lato dove sono collegati i componenti, ma su alcune schede può essere visibile anche sul lato saldato.

 Percorso conduttivo

I percorsi conduttivi in rame vengono applicati sulla superficie del circuito stampato su uno o entrambi i lati, a seconda del progetto. Sopra i percorsi conduttivi viene applicata una maschera di saldatura, che protegge i conduttori da qualsiasi fattore ambientale.

Quali sono i materiali più comuni dei PCB?

Esistono diversi tipi di materiali utilizzati per le schede PCB e per i requisiti di progetto. I materiali più comunemente utilizzati sono:

 FR-4

FR4 è l'acronimo di ritardante di fiamma, un materiale comunemente utilizzato per le schede PCB. È un materiale economico e offre elevata rigidità dielettrica e ottime proprietà isolanti.

FR4 è un laminato Epxoy rinforzato con fibra di vetro, che offre caratteristiche di resistenza agli agenti atmosferici e ignifughe. Offre inoltre un'elevata resistenza alla trazione.

Grazie alle sue caratteristiche convenienti, è compatibile con diversi processi di produzione preferiti per la fabbricazione di schede.

Il valore dei fattori di dissipazione per questo materiale è compreso tra 0.015 e 0.025, mentre il valore della costante dielettrica è compreso tra 4.2 e 4.8. Questi valori possono variare in base alle tecniche di produzione.

La temperatura di transizione vetrosa di questo materiale è 105-130 °C.

 Materiali ad alta temperatura

I materiali ad alta temperatura, noti anche come High Tg, sono progettati per resistere a diverse condizioni di temperatura. Il tipo di materiale utilizzato è considerato ad alta temperatura se il valore Tg è superiore a 150 gradi.

I materiali ad alta temperatura più comunemente utilizzati per le schede PCB sono i substrati ceramici e le poliimmidi.

Il valore di temperatura più elevato per i materiali in poliimmide è compreso tra 280 °C e 350 °C. Presentano inoltre coefficienti di dilatazione termica inferiori che controllano la delaminazione durante i cicli termici.

L'alluminio e il nitruro di alluminio sono materiali ceramici utilizzati per la realizzazione di PCB. Hanno un'elevata conduttività termica che contribuisce a dissipare efficacemente il calore e a ridurre la generazione di calore dai componenti collegati a bordo.

 Materiali flessibili

L'obiettivo principale dei materiali flessibili per la creazione di componenti è quello di essere utilizzati in applicazioni in cui i pannelli rigidi non offrono caratteristiche di flessibilità mantenendo al contempo le prestazioni elettriche. I materiali flessibili vengono quindi utilizzati in diverse applicazioni, come l'industria aeronautica, i dispositivi medici, ecc. Il materiale flessibile più comune è il poliestere.

Il materiale in poliestere, noto anche come polietilene tereftalato (PET), viene impiegato per realizzare i PCB poiché offre buone caratteristiche elettriche ed è resistente alla corrosione e all'umidità.

 Materiali con anima metallica

I materiali per PCB con nucleo metallico vengono utilizzati al posto dei materiali FR4 per applicazioni che richiedono buone caratteristiche termiche. Questi materiali hanno caratteristiche che li rendono adatti a gestire il calore generato durante il funzionamento di diversi componenti ad alta potenza a bordo, come le luci a LED che producono calore durante il funzionamento per gestire gli effetti del riscaldamento sui nuclei metallici dei PCB utilizzati.

Il metallo più comunemente utilizzato per i circuiti stampati con anima metallica è l'alluminio, ma in alcune applicazioni viene utilizzato anche il rame. Il principale utilizzo dell'alluminio come sostituto del rame è il suo basso costo.

Il nucleo metallico trasferisce il calore dai componenti critici collegati alle aree a bassa temperatura. La superficie delle schede con nucleo metallizzato presenta strati di substrato conduttivi, termici e metallici.

I principali tipi di PCB con nucleo metallico sono

·   MCPCB monostrato

·   COBMCPCB

·   MCPCB a doppio strato

·   MCPCB a doppia faccia

·   MCPCB multistrato

Quali sono le proprietà dei materiali PCB?

Di seguito sono elencate le principali proprietà che devono essere verificate prima di selezionare i materiali per le schede PCB.

Costante dielettrica

La costante dielettrica è un fattore che definisce le caratteristiche del materiale selezionato per immagazzinare energia sotto forma di campo elettrico.

Il valore di Dk è espresso in forma numerica. Questo fattore ha influenzato le prestazioni elettriche della scheda. Definisce il valore della permittività relativa del materiale utilizzato per i PCB, basato sul vuoto.

Per progetti ad alta frequenza, per una rapida propagazione del segnale, si utilizza materiale con un basso valore dielettrico.

Il valore DK per diversi materiali è il seguente.

·   FR4: da 4.2 a 4.8

·   Poliimmide: da 3.2 a 3.6

·   polimero a cristalli liquidi (LCP): 2.9.

Fattore di dissipazione

Questo fattore spiega le perdite di energia elettrica del materiale ed è anche noto come tangente di perdita. Spiega l'accumulo di energia del materiale. Questo fattore è considerato per i circuiti RF. Il valore del fattore di dissipazione per i materiali FR4 è 0.015.

Conduttività termica

La conduttività termica dei materiali è un fattore essenziale nei progetti in cui vengono utilizzati componenti ad alta potenza.

Poiché sfida la capacità dei materiali di dissipare il calore prodotto dai componenti collegati a bordo durante il funzionamento, l'unità di misura di questo fattore è il Watt per metro Kelvin (W/mk). È indicato come K o TC.

È il fattore principale che definisce le caratteristiche di dissipazione del calore del PCB. Un materiale con un valore TC elevato dissiperà più calore e garantirà un buon funzionamento delle schede.

Il valore di conducibilità termica dell'alluminio è compreso tra 1 W/mK e 3 W/mK, quindi presenta buone caratteristiche di TC. Al contrario, l'FR4 ha una bassa conducibilità termica di circa 0.3 W/mK, quindi presenta difficoltà nella dissipazione del calore.

Resistenza meccanica

Per un corretto funzionamento, i materiali selezionati per i PCB devono presentare alcune caratteristiche meccaniche, come la capacità di gestire facilmente condizioni di stress, flessibilità e rigidità.

Prima di selezionare i materiali, verificare che siano in grado di sopportare senza problemi urti e vibrazioni se vengono utilizzati in applicazioni in cui vengono applicate pressioni elevate e forze meccaniche.

CTE

Il CTE è il coefficiente di dilatazione termica dei materiali che presentano caratteristiche specifiche quando riscaldati. Il valore del CTE deve essere compreso in un intervallo limitato per evitare danni ai materiali, poiché se si espandono rapidamente con l'aumento della temperatura, subiranno danni.

Resistenza elettrica

La capacità dei materiali di gestire le elettricità guasti si chiama rigidità dielettrica. Il valore della rigidità dielettrica si misura in volt.

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Come faccio a scegliere il materiale più adatto per il PCB?

I materiali selezionati per i PCB presentano adeguate caratteristiche di gestione del calore, poiché questa caratteristica è ideale per un funzionamento prolungato. Se i materiali selezionati non vengono dissipati correttamente, il calore comprometterà il funzionamento dei componenti collegati e ridurrà l'efficienza dei dispositivi. La tecnica migliore per controllare il fattore di riscaldamento sulle schede è quella di utilizzare dissipatori di calore o materiali metallici selezionati in grado di dissipare il calore.

Costo materiale

Il costo di produzione del PCB si basa sui materiali selezionati per la scheda. Il costo dei materiali dipende dal design della scheda e dai diversi strati. L'utilizzo di materiali speciali per la realizzazione della scheda ne aumenterà ulteriormente il costo. L'aumento del numero di strati nella scheda ne aumenta ulteriormente il costo. I materiali ad alta frequenza sono costosi. Tuttavia, è consigliabile utilizzare materiali di buona qualità, che contribuiranno a prolungare la durata del progetto e dei dispositivi connessi.

Tecniche di produzione

Anche le tecniche di produzione sono fattori chiave per l'utilizzo di materiali di qualità per PCB. Esistono due tecniche comuni per la produzione di PCB: la tecnologia through-hole o quella a montaggio superficiale (SMT). I materiali selezionati devono essere compatibili con questi metodi per garantire buone caratteristiche di gestione dello stress.

Le schede PCB sono ormai presenti in quasi tutti i settori industriali del mondo e vengono utilizzate per realizzare diversi tipi di progetti e dispositivi. Pertanto, l'affidabilità dei PCB deve essere mantenuta. Per schede PCB affidabili e durevoli, è necessario utilizzare materiali standard e di alta qualità in grado di soddisfare facilmente i requisiti dei PCB per progetti speciali. Nei PCB vengono utilizzati diversi tipi di materiali, come FR4, il più comune, ma anche poliimmide, poliestere e alcuni metalli. I materiali di qualità devono offrire buone prestazioni termiche, meccaniche e di dissipazione del calore, oltre a essere in grado di resistere a diverse condizioni ambientali come l'ossidazione e la corrosione. Il materiale deve essere ecologico, non dannoso per l'uomo e facilmente riciclabile. La selezione dei materiali deve essere basata sui requisiti del progetto e del circuito.