Selezione del Materiale PCB in base al DFM

Ogni progetto dovrebbe iniziare con la selezione dei materiali che appariranno nello stackup del PCB, così come l'organizzazione dei livelli nello stackup per supportare il layout e il routing. Questa sezione del nostro corso intensivo sulla produzione di PCB e DFM si concentra sulla selezione dei materiali giusti per il tuo design di PCB. I materiali dovrebbero essere selezionati considerando i requisiti di design specifici delineati nelle tue specifiche.

Per brevità del nuovo progettista, ci concentreremo principalmente su FR-4 poiché è questa la classe di materiali più comunemente utilizzata per il design dei PCB.

Processo di Selezione dei Materiali di Base

Prima di selezionare i materiali, è importante notare che il tuo produttore deve averli in stock prima che tu decida di includerli nel tuo design. Se il tuo design richiede tipi specifici di materiali, e hai requisiti specifici per questi nel tuo stackup di PCB, dovresti contattare il tuo produttore e vedere se hanno questi materiali in stock o un'alternativa compatibile. Non tutti i produttori dispongono di ogni possibile materiale, e potrebbero non avere un processo compatibile con ogni materiale. Inoltre, non puoi sempre mescolare e abbinare ogni materiale nello stackup come desideri. È importante contattare un produttore per ottenere una guida per assicurarsi che il design che crei possa essere realizzato con processi standard.

L'IPC ha definito i requisiti di compatibilità dei materiali negli standard IPC-4101 e IPC-4103. Questi standard richiedono ai produttori di laminati di creare "fogli di specifica" che elenchino specifiche proprietà dei materiali e requisiti di lavorazione. I produttori di laminati progetteranno i loro materiali per conformarsi a uno di questi fogli di specifica. Ciò consente a un produttore di sapere immediatamente quando due materiali saranno compatibili e potranno essere sostituiti l'uno con l'altro.

• Scopri di più sui fogli di specifica IPC e sugli standard IPC-4101/IPC-4103

Quando si progetta un PCB, ci sono diverse scelte di materiali da considerare in base alle esigenze uniche del proprio design. Prima di selezionare un materiale, si raccomanda di definire prima le funzionalità e i requisiti di affidabilità che la tua scheda deve soddisfare. Vedi il flusso di lavoro qui sotto per un tipico processo di selezione dei materiali.

Proprietà dei Materiali per PCB in Dettaglio

Le proprietà dei materiali rilevanti per i PCB si dividono in tre categorie:

• Elettrico
• Termico
• Meccanico

I materiali elettrici sono quelli su cui la maggior parte dei progettisti si concentra perché spesso cercano di raggiungere un obiettivo specifico di impedenza (per progetti ad alta velocità), di perdita di segnale o potenza obiettivo (per progetti ad alta frequenza), di tensione di rottura (per progetti ad alta tensione), o una combinazione di questi. I materiali elettrici sono importanti, ma per considerazioni di DFM, le proprietà meccaniche e termiche devono essere note al tuo produttore affinché possano adattarsi a queste nel processo di fabbricazione.

La fabbrica che produrrà il tuo circuito stampato inciso deve sapere come implementare la tua selezione di materiali nel loro processo. Se scegli personalmente i tuoi materiali, ecco perché è meglio se contatti direttamente la tua fabbrica di produzione e chiedi loro di valutare il tuo stackup. Nel caso in cui non possano fabbricare lo stackup come lo hai progettato, possono spesso suggerire un set di materiali alternativo, uno stackup alternativo, o possono spesso fornire uno stackup standardizzato.

• Scopri di più su come specificare i requisiti del tuo stackup a una fabbrica di produzione

Le proprietà più critiche da considerare per i requisiti elettrici sono la resistenza elettrica, la costante dielettrica e la resistenza all'umidità. Consulta la seguente tabella per un elenco di alcuni dei materiali più comuni e dei relativi valori di proprietà. Ricorda di consultare il tuo produttore per dati più specifici sulle proprietà elettriche se hai un requisito speciale come un design ad alta tensione o un design ad alta frequenza.

Per alcuni design che richiedono un'elevata affidabilità, l'agente di reticolazione e il contenuto di resina sono altri due fattori importanti. Questo è particolarmente vero per i design ad alta tensione che non dispongono di spazio sufficiente per un grande distanziamento tra i conduttori nel layout del PCB. I due agenti di reticolazione comuni utilizzati nei materiali laminati per PCB sono DICY e agenti di reticolazione a base di fenolico. I fenolici sono preferibili in un layout ad alta tensione poiché l'agente di reticolazione è noto per produrre un materiale rigido che può resistere al fallimento per formazione di filamenti anodici conduttivi (CAF). Se hai un design speciale, non guasta ottenere il consiglio del tuo produttore su quale sistema di materiali utilizzare per garantire l'affidabilità.

Tipi di Lamina di Rame

Ci sono diversi tipi di lamina di rame utilizzati nei laminati per circuiti stampati. Il più comune è la lamina di rame elettrodepositata (ED) per la sua facilità di fabbricazione e applicazione su un laminato PCB. La maggior parte dei materiali utilizzerà questo tipo di rame. Il tipo di rame utilizzato in un laminato non è qualcosa che tu come progettista puoi semplicemente mescolare e abbinare con diversi laminati. Quando si selezionano i laminati, quel laminato verrà quasi sempre fornito con un singolo tipo di rame, e non sarai in grado di sostituirlo con alcuna alternativa.

Un'eccezione è con alcuni materiali a base di PTFE per PCB ad alta frequenza. I fornitori di questi materiali sanno che i loro insiemi di materiali sono generalmente utilizzati in progetti ad alta frequenza, quindi tendono ad offrire più opzioni con diversi tipi di rame. L'altro tipo standard di rame utilizzato in questi materiali è noto come rame laminato e ricotto (RA), sebbene i laminati per PCB ad alta frequenza possano avere anche rame trattato superficialmente che ha un profilo molto liscio.

• Scopri di più sui tipi di rame nei materiali laminati per PCB

I produttori offriranno tipicamente vari tipi di lamina tra cui scegliere, i più comuni essendo e laminato. I circuiti rigidi utilizzeranno tipicamente lamina di rame elettrodepositata mentre i circuiti rigido-flessibili utilizzeranno lamina di rame laminato.

Peso del Rame

Il rame viene posizionato sui laminati delle PCB con uno spessore specifico, ma questo è spesso specificato come peso del rame in oz./sq. ft. I valori tipici del peso del rame trovati nella maggior parte delle schede elettroniche sono 0,5 o 1 oz./sq. ft. Se è necessario un peso del rame maggiore, la tua fabbrica di circuiti stampati dovrà avere materiali con rame più spesso disponibile, oppure dovrà utilizzare un processo di placcatura che deposita rame fino allo spessore richiesto.

Il peso del rame influenzerà la fabbricazione, ma influenzerà anche la temperatura di equilibrio della PCB, a seconda della quantità di corrente trasportata da una traccia. Poiché le tracce di rame hanno una certa resistenza in corrente continua, produrranno una certa perdita di potenza che verrà convertita in calore. Il risultato è che una traccia più larga sarà in grado di avere una capacità di trasporto di corrente più elevata.

Come esempio, la coppia di grafici sottostanti può essere utilizzata come riferimento per comprendere la capacità di conduzione di corrente degli strati interni per spessori di rame comuni e livelli di temperatura superiori all'ambiente. Questi grafici presuppongono una traccia su un laminato di grado FR-4 standard senza altri rami di rame nelle vicinanze. Ogni linea nel grafico superiore corrisponde a un aumento di temperatura rispetto al valore ambientale che ci si aspetterebbe di osservare per ogni coppia di valori di area di traccia e corrente visualizzati lungo gli assi x e y.

Due esempi sono tracciati per illustrare come utilizzare questa immagine:

• Curva rossa: Questa curva afferma che una traccia larga circa 140 mil realizzata con rame da 1 oz./sq. ft. dovrebbe aspettarsi un aumento di temperatura di circa 10 gradi se trasporta 3 A.
• Curva rossa: Questa curva afferma che una traccia progettata per trasportare 1 A di corrente sperimenterà un aumento di temperatura di circa 30 gradi se realizzata con 0.5 oz./sq. ft. e una larghezza di traccia di circa 40 mil.

C'è qualcosa di importante da notare qui: questi grafici tendono ad essere molto conservativi e potrebbero sovrastimare la temperatura che ci si aspetterebbe di vedere nella scheda durante il suo funzionamento. Da notare che il posizionamento di uno strato di piano in rame sotto la traccia pertinente, o il riempimento di rame intorno alla traccia, aiuterà a ridurre la temperatura della traccia e dell'intera scheda. Questo è uno dei molteplici requisiti di layout PCB che influenzerà la tua capacità di produrre un PCB.

• Vai alla Parte 3: DFM nel Tuo Layout PCB

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