Spessore dei PCB per schede a 1-6 strati: standard, tabella di conversione da once a millimetri e guida alla selezione.

Scopri lo spessore dei PCB

Lo spessore di un PCB si riferisce all'altezza totale della scheda, dalla superficie superiore a quella inferiore. Viene determinato considerando l'altezza del substrato e di altri strati, come il rame, nonché di altri rivestimenti, come la maschera di saldatura e la serigrafia. Lo spessore di un PCB viene tipicamente misurato in millimetri o mils (millesimi di pollice).

Lo spessore più comune dei PCB è di 1.57 mm o 62 mil. La tolleranza tipica è di circa ±10% o ±0.1 mm, a seconda del materiale e della stratificazione. 1.57 mm è diventato lo standard del settore per ragioni storiche, in quanto i PCB venivano realizzati manualmente senza l'ausilio di programmi di progettazione assistita da computer. Con il passaggio all'elettronica a transistor e circuiti integrati, le schede venivano progettate utilizzando tecniche di prototipazione su breadboard su banchi di legno, e il legno sulla superficie superiore veniva rimosso e sostituito con plastica bachelite.

Sebbene lo spessore di 1.57 mm sia diventato lo standard più comunemente utilizzato, non è certamente l'unica alternativa offerta dai produttori, poiché esiste un'ampia gamma di opzioni di spessore standard disponibili. Altri incrementi di spessore standard si presentano in genere come multipli di 1 mm o 1.5 mm, che sono disponibili anche in forma di strati sovrapposti presso le aziende produttrici, inclusi i produttori di PCB. I progettisti meccanici che utilizzano il sistema metrico troveranno che le unità rotonde di multipli di 1 mm sono una buona scelta per i progetti di progettazione, poiché hanno anche tolleranze familiari associate.

Alcuni tipi di prodotti e progetti di PCB non rispettano gli spessori standard di impilamento. Esempi includono PCB flessibili e PCB rigido-flessibili, PCB con nucleo ceramico, PCB con nucleo metallico o con supporto metallico, PCB con spessi strati dielettrici sui backplane, PCB con numerosi dielettrici laminati in sequenza, elettronica a inchiostro stampato e PCB realizzati con tecnologie additive; questi tipi di prodotti potrebbero teoricamente avere qualsiasi spessore, a condizione che il materiale per produrli sia disponibile in commercio. All'estremità inferiore della scala si trovano l'elettronica a inchiostro stampato e i PCB flessibili, che in genere utilizzano substrati sottili come materiale di base. All'estremità opposta della scala si trovano i backplane che spesso presentano spessori molto elevati, in particolare quando vengono utilizzati connettori per schede figlie ad alta densità.

Tabella di conversione dello spessore del rame (oz-mm)

Il peso del rame nella produzione di PCB viene solitamente espresso in once. Lo spessore che si ottiene stendendo 1 oncia (o 28.35 grammi) di rame su una superficie di 1 piede quadrato è di 1.37 mils o 0.0348 mm. Questa convenzione deriva dal modo in cui i fornitori di fogli di rame si riferivano ai loro prodotti.

La conversione tra peso del rame e spessore effettivo segue una relazione matematica coerente per tutti i valori. Ecco la tabella di conversione che mostra lo spessore del rame in diverse unità di misura:

La conversione tra queste unità di misura richiede semplici formule. Per convertire lo spessore da mils a peso del rame: Peso del rame (oz) = Spessore (mils) / 1.37. Viceversa, per convertire il peso del rame in spessore da mils: Spessore (mils) = Peso del rame (oz) × 1.37.

La maggior parte dei PCB utilizza uno spessore di rame di 1 oncia come specifica standard. Ad esempio, se è necessario determinare uno spessore di 4 once, moltiplicare il valore di base di 1 oncia per quattro: 1.37 mil × 4 = 5.48 mil. Questo metodo di calcolo si applica a qualsiasi valore di spessore del rame riscontrato nei vostri progetti.

Spessore standard comune dei PCB

Le specifiche di settore definiscono intervalli di spessore in base al numero di strati del PCB. Sebbene 1.57 mm continui ad essere ampiamente utilizzato indipendentemente dal numero di strati, i diversi circuiti stampati hanno intervalli di spessore specifici.

Spessore del PCB monostrato

Un PCB a singolo strato ha un numero limitato di opzioni per il materiale del nucleo, il che limita le possibilità di scelta in termini di spessore. Un PCB con uno spessore molto ridotto avrà un solo strato centrale; pertanto, potrà avere al massimo due strati di rame. Per la maggior parte dei circuiti stampati, lo spessore minimo raggiungibile è di 0.2 mm. Tuttavia, le applicazioni ultrasottili possono estendere la possibilità di produrre circuiti stampati ancora più sottili.

Spessore del PCB a 2 strati

Gli spessori più comuni dei PCB a 2 strati sono compresi tra 0.6 e 1.6 mm, sebbene possano essere prodotti anche con spessori maggiori come 2.0 mm e 2.4 mm. La maggior parte dei substrati per PCB avrà uno spessore finale di 1.6 mm (0.063 pollici) per schede a 2, 4 e 6 strati. Una tipica scheda a 2 strati con uno spessore finale compreso tra 0.062" e 0.063" presenta un nucleo di 0.057" e una lamina di rame sugli strati esterni, ciascuno con uno spessore di 0.0014".

Spessore del PCB a 4 strati

Le strutture a quattro strati hanno in genere uno spessore compreso tra 0.8 mm e 2.4 mm. Lo spessore standard rimane comunque di 1.6 mm, sebbene 1.2 mm sia ampiamente utilizzato. In una tipica struttura a quattro strati da 1.6 mm, lo strato centrale potrebbe avere uno spessore compreso tra 0.8 mm e 1.0 mm, mentre lo spessore rimanente è costituito da due strati di prepreg (ad esempio, 0.4 mm + 0.4 mm o 0.3 mm + 0.3 mm). Ad esempio, una struttura da 0.062" può utilizzare un nucleo da 0.037" con due strati di prepreg da 0.0091", oppure un nucleo da 0.047" con due strati di prepreg da 0.0075". Gli spessori effettivi variano in base al peso del rame, all'impedenza e alle capacità del produttore.

Spessore del PCB a 6 strati

Lo spessore di un PCB a 6 strati varia tipicamente da 0.8 mm a 3.2 mm, con 1.6 mm come standard più comunemente utilizzato. Spessori diversi si adattano ad applicazioni diverse: da 0.8 mm a 1.0 mm per dispositivi sottili e leggeri come laptop e tablet; 1.2 mm per contenitori e moduli compatti; 1.6 mm per schede generiche; 2.0 mm per componenti con maggiore resistenza meccanica o più pesanti; e 2.4 mm per applicazioni che richiedono maggiore rigidità o isolamento ad alta tensione. Le tolleranze di spessore dei PCB generalmente seguono gli standard di settore: ±10% per schede con spessore pari o superiore a 1.0 mm e ±0.1 mm per schede con spessore inferiore a 1.0 mm. Sebbene le schede più sottili utilizzino meno materiale, non sempre costano meno. Le schede estremamente sottili (ad esempio, inferiori a 0.8 mm) richiedono un controllo di processo più rigoroso e presentano tassi di scarto più elevati, il che può aumentare i costi. Tuttavia, gli spessori comuni come 1.0 mm e 1.2 mm hanno in genere lo stesso prezzo dello standard da 1.6 mm.

Importanza dello spessore del PCB

La scelta dello spessore appropriato influisce su molteplici aspetti progettuali, oltre alle considerazioni meccaniche di base. Le decisioni relative allo spessore hanno ripercussioni a cascata su variabili elettriche, termiche e di produzione.

Prestazioni dei dispositivi

L'integrità del segnale diventa sempre più sensibile allo spessore quando si lavora ad alte velocità. I ​​circuiti stampati più spessi garantiscono una maggiore spaziatura tra gli strati e una migliore gestione dell'impedenza d'impatto. La necessità di un'impedenza uniforme, solitamente di 50 ohm, quando si lavora ad alte velocità è importante per evitare onde riflesse e corruzione dei dati. Il disadattamento di impedenza deriva da variazioni nello spessore del dielettrico, che portano alla distorsione del segnale.

Le proprietà relative alla stabilità meccanica variano drasticamente in base allo spessore. Un maggiore spessore dei circuiti stampati ne aumenta la resistenza strutturale, rendendoli ideali per la produzione di schede di grandi dimensioni, connessioni che richiedono inserimenti continui e condizioni operative estreme, comuni nei settori automobilistico, industriale e aerospaziale. I PCB sottili offrono maggiore flessibilità e peso ridotto, pertanto vengono utilizzati nella produzione di dispositivi di piccole dimensioni e schede flessibili/rigide. Sebbene uno spessore di 1.6 mm offra stabilità alla flessione, le schede sottili possono incrinarsi facilmente senza protezione.

Processo produttivo

I circuiti stampati (PCB) standard da 1.6 mm di spessore rimangono i più economici e veloci da produrre; i PCB con spessore personalizzato aumentano i costi e i tempi di produzione. I circuiti stampati più spessi richiedono utensili più precisi per la foratura dei fori passanti e delle vie. Spessori non uniformi dei pannelli o valori al di fuori delle tolleranze previste creano una pressione non uniforme sui circuiti stampati durante la laminazione, causando la separazione degli strati o una scarsa adesione tra gli strati. I profili di saldatura a rifusione devono essere adattati alle differenze di spessore tra i circuiti stampati; ad esempio, le condizioni di rifusione per un circuito stampato di 2.0 mm di spessore richiederanno un periodo di preriscaldamento più lungo rispetto a quelle di un circuito stampato di 1.0 mm di spessore.

Dissipazione di calore

I circuiti stampati più spessi dissipano più calore, a vantaggio delle applicazioni di elettronica di potenza. Un circuito stampato di 2.0 mm di spessore può ridurre la temperatura dei componenti rispetto ad alternative più sottili, a parità di altre condizioni. Lo spessore del rame è direttamente correlato alle prestazioni termiche. Aumentando lo spessore dello strato interno di rame da 1 oncia a 2 once, è possibile ridurre l'aumento di temperatura da 50 °C a 30-35 °C rispetto alla temperatura ambiente nei componenti che dissipano potenza.

Caratteristiche e applicazioni dei diversi spessori dei PCB

Le diverse categorie di spessore rispondono a specifiche esigenze applicative in base a vincoli di spazio, fabbisogno energetico e condizioni ambientali.

PCB ultrasottile

I circuiti stampati ultrasottili sono realizzati con uno spessore di 0.2-0.4 mm utilizzando materiali flessibili come le poliimmidi. Di conseguenza, garantiscono il massimo livello di flessibilità possibile. I circuiti stampati ultrasottili sono ideali per l'utilizzo in dispositivi indossabili, dispositivi medici e microelettronica perché occupano uno spazio minimo. Alcuni circuiti stampati hanno uno spessore di soli 0.1 mm. Smartphone, tablet e dispositivi indossabili trarranno vantaggio dai circuiti stampati ultrasottili per risparmiare spazio e ridurre il peso. Ad esempio, negli smartwatch, i circuiti stampati hanno uno spessore di 0.4 mm. Allo stesso modo, i dispositivi medici e diagnostici utilizzano circuiti stampati sottili per l'integrazione in cateteri, pacemaker ed endoscopi. Tuttavia, i circuiti stampati sottili possono essere vulnerabili alla pressione di flessione.

PCB sottili di fascia media

Spessori intermedi da 1.0 mm a 1.2 mm sono adatti ad applicazioni che richiedono una durata moderata e un numero di strati compreso tra 4 e 6. Questi circuiti stampati sono spesso utilizzati nei sistemi di controllo industriale e nei dispositivi di comunicazione. Offrono una maggiore stabilità meccanica rispetto alle opzioni più sottili, pur mantenendo una compattezza ragionevole.

PCB più spessi

I PCB con spessori di rame presentano uno spessore di rame che varia da 100 a 500 μm o più, definiti come schede con uno spessore di rame pari o superiore a 70 μm (2 oz). Queste schede eccellono nei sistemi di gestione delle batterie per autoveicoli, nei convertitori di potenza, negli inverter, nell'avionica aerospaziale, negli inverter solari e nell'automazione industriale. La loro elevata capacità di corrente e l'efficace dissipazione del calore le rendono adatte ai sistemi di energia rinnovabile e al calcolo ad alte prestazioni nei data center.  

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Fattori chiave che influenzano lo spessore del PCB

Molteplici variabili ingegneristiche contribuiscono a determinare le dimensioni finali del circuito stampato. Comprendere il contributo di ciascun componente permette di prendere decisioni di progettazione consapevoli.

Configurazione dello stack-up dei livelli

L'architettura di impilamento determina come verranno assemblati i nuclei, gli strati di rame e il prepreg. Tra i due progetti, quello asimmetrico a 4 strati e quello simmetrico, la differenza sia nello spessore del circuito stampato che nella sua stabilità può essere considerevole.

Numero di strato

L'aggiunta di strati aumenta le dimensioni complessive. Ogni strato aggiunto richiede materiale di base o preimpregnato extra, aumentando direttamente lo spessore totale. Il passaggio da 2 a 4 strati in genere aggiunge da 0.4 mm a 0.8 mm.

spessore del substrato

Il materiale di base costituisce la struttura portante del circuito stampato. I substrati FR-4 sono disponibili in diversi spessori, e ogni produttore offre opzioni specifiche che limitano le possibilità di scelta dello spessore totale.

Spessore preimpregnato

Quando laminati, gli strati di preimpregnato contribuiscono a incollare insieme i nuclei. I preimpregnati sono disponibili in diversi spessori, il che consente di regolare con precisione la spaziatura tra gli strati di rame, controllando così l'impedenza.

Spessore maschera di saldatura

La maschera di saldatura solitamente aggiunge uno spessore di 0.5-1.0 mil per lato. Sebbene questa quantità sia molto piccola, si tratta di un rivestimento che contribuisce alle dimensioni finali, quindi deve essere incluso nel calcolo delle tolleranze.

Spessore rame PCB PCB

Il peso del rame influisce sulle dimensioni complessive. Il rame standard da 1 oncia aggiunge 1.37 mils per strato, mentre il rame da 2 once raddoppia questo contributo, influenzando di conseguenza lo spessore totale.

Requisiti di segnale e impedenza

Il funzionamento ad alta velocità del segnale richiederà una spaziatura specifica tra gli strati dielettrici per mantenere il valore di impedenza minimo specificato da ciascuno strato del segnale. Spesso, la spaziatura minima necessaria tra l'area del segnale e i piani di riferimento sarà dettata da questi requisiti.

Ambiente operativo

Le caratteristiche meccaniche robuste sono spesso associate a uno spessore maggiore del materiale, dovuto alla necessità di resistere ad ambienti ostili, mentre l'elettronica portatile richiede materiali più sottili per ridurre il peso e ottimizzare lo spazio.

Vincoli specifici della progettazione

Tuttavia, alcuni progetti di PCB presentano una serie di vincoli specifici che influenzano la scelta dello spessore. Vincoli come l'altezza dei componenti utilizzati, i connettori e il tipo di via (cieca, interrata, ecc.) possono limitare la gamma di spessori possibili. Inoltre, alcuni progetti che richiedono una maggiore densità di componenti potrebbero necessitare di PCB più sottili, mentre quelli con componenti ingombranti richiederebbero PCB più spessi.

Sfide nello spessore dei PCB

La produzione di schede al di fuori delle tolleranze specificate crea problemi che vanno ben oltre i semplici errori dimensionali. La deformazione e le implicazioni sui costi rappresentano i principali ostacoli che progettisti e produttori si trovano ad affrontare.

Problemi di deformazione

La deformazione si riferisce alla flessione e alla torsione dei circuiti stampati rispetto alla loro forma rettilinea naturale. La causa principale delle sollecitazioni termiche che si sviluppano durante le varie fasi di produzione, come la saldatura e la polimerizzazione, è la diversa dilatazione termica dei materiali. Nel caso della saldatura a rifusione eseguita a 260 °C, la differenza nei materiali utilizzati per i substrati FR-4 crea sollecitazioni interne dovute alle diverse dilatazioni termiche. Anche lo squilibrio nella quantità di rame può causare ulteriori deformazioni, poiché il lato con una maggiore quantità di rame presenta una diversa dilatazione termica.

Qualsiasi forma di deformazione influisce significativamente sul processo produttivo. Anche una deformazione di soli 0.1 mm su una scheda larga 100 mm rende difficile la realizzazione delle saldature e impedisce l'assemblaggio corretto dei componenti. Per quanto riguarda i componenti BGA, qualsiasi deformazione superiore allo 0.75% della diagonale della scheda provoca difetti di assemblaggio. Le macchine automatiche pick-and-place necessitano di superfici piane, pertanto qualsiasi forma di deformazione comporta il disallineamento dei componenti.

Tolleranza e costi nascosti

Le deviazioni dalla tolleranza di spessore richiesta comportano costi monetari elevati. La non conformità in termini di qualità porta a un aumento dei costi di manodopera e materiali. Se vengono prodotte 100 unità a 500 dollari e metà vengono scartate a causa della tolleranza, il costo di produzione di ciascuna unità raddoppia di fatto. La non conformità può causare ritardi nella linea di produzione in settori come quello automobilistico o aerospaziale, con conseguenti sanzioni. Progetti che inizialmente potrebbero costare 10,000 dollari potrebbero finire per costarne 15,000.

Ignorare le tolleranze comporterà una riduzione della resa produttiva. La resa del normale processo produttivo si aggira solitamente intorno al 95%, mentre ignorare le tolleranze la ridurrà fino all'80%. Ad esempio, per progetti che prevedono la produzione di 1,000 unità, una riduzione della resa del 15% comporterebbe una diminuzione di 150 pezzi.

Come scegliere lo spessore appropriato del PCB

Trovare un equilibrio tra esigenze di progettazione contrastanti richiede un processo di selezione metodico. Seguire un approccio strutturato garantisce che la scelta dello spessore supporti sia gli obiettivi di prestazione che le realtà produttive.

Definire le esigenze applicative e prestazionali

Innanzitutto, è necessario determinare le specifiche di prestazioni, il caso d'uso e il carico richiesti per i componenti della scheda. Per l'elettronica di consumo, è preferibile utilizzare uno spessore di 1.6 mm, che offre un buon equilibrio tra efficienza produttiva e durata. Le applicazioni ad alta potenza richiedono spessori di rame maggiori, ad esempio 2 once o superiori, per garantire un'efficace dissipazione del calore. D'altra parte, le applicazioni ad alta frequenza richiedono PCB sottili per aumentare la velocità e ridurre le perdite di trasmissione.

Valutare le specifiche dei componenti e dell'assemblaggio

I connettori per il bordo del circuito stampato richiedono uno spessore specifico per determinati modelli. Il connettore non influirà in modo significativo sul layout, ma è necessario tenere conto delle modifiche apportate al circuito stampato stesso. Verificare la compatibilità con le apparecchiature di assemblaggio automatizzate, poiché alcune linee presentano limitazioni sullo spessore del circuito stampato.

Valutazione dell'integrità del segnale e dell'impedenza

Lo spessore del PCB può influenzare l'impedenza delle tracce, un fattore importante nei progetti ad alta velocità (o RF). Il materiale dielettrico può contribuire a migliorare l'integrità del segnale, ma un dielettrico più spesso richiederà tracce più larghe per mantenere un'impedenza controllata.

Revisione della fattibilità produttiva e degli standard

Spessori tipici come 1.0 mm e 1.6 mm vengono lavorati senza difficoltà dalla maggior parte degli impianti di produzione. Tuttavia, i pannelli ultrasottili con spessore inferiore a 0.40 mm e i pannelli extra-spessi con spessore superiore a 2.0 mm potrebbero richiedere macchinari specializzati. Pertanto, lo spessore di 1.60 mm rappresenta l'opzione più conveniente in quanto è comunemente disponibile e può essere prodotto su una linea di produzione efficiente.

Ottimizzazione dei costi e dei tempi di consegna

Gli spessori standard richiedono tempi di consegna più brevi poiché il materiale è facilmente reperibile. Gli spessori non standard comportano costi del materiale più elevati e potrebbero anche includere spese di allestimento. Si consiglia di attenersi agli spessori standard per evitare spese superflue.

Conclusione

La scelta dello spessore del PCB influenzerà ogni aspetto del processo di progettazione, incluse le prestazioni del segnale, le prestazioni termiche, i costi di produzione e l'efficienza di assemblaggio. Come abbiamo visto in precedenza, uno spessore di 1.6 mm è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni, offrendo al contempo la flessibilità necessaria in caso di esigenze specifiche. La scelta dello spessore del PCB deve sempre bilanciare i criteri di prestazione con quelli di produzione. Fattori come l'ambiente di applicazione, i tipi di componenti e i requisiti di impedenza devono essere presi in considerazione. Per applicazioni ad alta potenza, strati di rame più spessi risultano più adatti, mentre per dispositivi con spazio limitato si preferiscono circuiti stampati più sottili.

Domande Frequenti

Qual è lo spessore standard del PCB?

Lo spessore più comunemente utilizzato per i substrati FR-4 è di 1.6 mm (circa 62 mil). L'impiego di questa specifica è piuttosto diffuso nell'elettronica di consumo, nelle tecnologie per la domotica e nei sistemi di controllo industriali.

Quando dovrei scegliere un PCB ultrasottile con uno spessore inferiore a 0.6 mm?

I circuiti stampati ultrasottili possono essere utilizzati in applicazioni con spazio limitato o vincoli di peso, come smartphone, tablet, dispositivi indossabili, computer portatili, droni e robotica. Lo svantaggio, tuttavia, è che non offrono una resistenza meccanica sufficiente a supportare componenti pesanti.

Lo spessore del PCB influisce sul costo?

Sì, in genere l'aumento dello spessore dei PCB comporta un aumento dei costi a causa del maggiore utilizzo di materiale e della complessità del processo produttivo.

Posso scegliere liberamente uno spessore non standard?

Gli spessori non standard richiedono configurazioni di stratificazione personalizzate, che possono ridurre la resa e aumentare i costi. Si raccomanda sempre di verificare la fattibilità produttiva con il produttore di PCB prima di specificare qualsiasi spessore.

Qual è la tolleranza tipica per lo spessore dei PCB?

La tolleranza consentita dalla maggior parte dei produttori di PCB sullo spessore standard è di ±10%. Se lo spessore è estremamente sottile (<0.6 mm), la tolleranza consentita sarà di circa ±0.075 mm.

Quale spessore devo scegliere per i connettori per schede a bordo scheda?

In genere si raccomanda uno spessore di 1.57–1.6 mm, salvo diversa indicazione nella scheda tecnica del connettore, in quanto garantisce un contatto e un inserimento adeguati.