Dovresti usare FR4 spesso o sottile per il substrato del tuo PCB?

Se hai mai fatto una torta con i tuoi bambini, sai che lo spessore della crosta è importante. Troppo sottile, e la torta si sbriciola in un pasticcio di ripieno. Troppo spesso, e potresti anche masticare un pane. Ottenere lo spessore giusto è ciò che rende una torta degna di essere mangiata.

Anche se i materiali del substrato PCB sono non conduttivi e non trasportano corrente, lo spessore del tuo substrato PCB in FR4 determina la resistenza strutturale della scheda, ma influisce anche sull'integrità di potenza e segnale. Il tuo compito come progettista è combinare il giusto set di laminati per l'impilamento in modo che la scheda abbia lo spessore desiderato, e non sarai in grado di raggiungere qualsiasi spessore desideri nel tuo PCB. Se non sei sicuro di quale spessore dovresti usare nella tua scheda e quanto spesso o sottile puoi ottenere, leggi queste linee guida sullo spessore FR4.

Considerazioni sulla Progettazione dello Spessore FR4

Lo spessore standard delle PCB è di 1,57 mm. Alcuni produttori possono adattarsi ad altri spessori specifici di 0,78 mm o 2,36 mm. Quando diciamo "spesso" o "sottile" FR4, stiamo generalmente confrontando con lo spessore standard di 1,57 mm. Finché il processo del tuo produttore può gestirlo, puoi scegliere qualsiasi spessore desideri per le tue PCB combinando disponibili spessori di core e prepreg laminati nel tuo stackup di PCB.

Prima di iniziare a selezionare i laminati e progettare il tuo stackup di strati, pensa ai seguenti aspetti del tuo design che sono correlati allo spessore della scheda:

Fattore di forma

La tua PCB ha un requisito di fattore di forma rigoroso, o deve adattarsi a un involucro molto sottile? Alcuni design richiedono una scheda più spessa per supportare componenti più pesanti, resistere ad ambienti meccanicamente ruvidi, o adattarsi ai loro supporti meccanici (backplane ad alta velocità per sistemi embedded militari e aerospaziali sono un esempio). Questi vincoli possono limitare lo spessore della tua scheda a valori specifici.

Componenti e connessioni ai bordi

Il dispositivo avrà componenti che richiedono che il circuito stampato abbia uno specifico spessore del PCB? Componenti come i connettori a bordo e componenti through-hole più ingombranti come trasformatori ad alta corrente richiedono che l'impilamento del PCB abbia lo spessore corretto. Alcuni fogli dati dei componenti e note applicative possono indicare uno spessore minimo del PCB per un componente specifico per vari motivi, e questi dovrebbero essere considerati nella progettazione dell'impilamento del PCB.

Un esempio di componente per cui questo è importante è un connettore a bordo SMA, che è mostrato di seguito. In questo connettore, le razze superiore e inferiore sul corpo del connettore sono progettate per accomodare PCB spessi circa 60-70 mil. Non si può superare questo valore se si vuole utilizzare questo specifico tipo di connettore, nel qual caso si dovrebbe usare uno stile di SMA montato su foro. È possibile scendere al di sotto di questo valore, ma si perde parte della resistenza meccanica associata a questo stile di connettore a bordo, che è uno dei suoi principali vantaggi.

Gli SMA sono uno dei tipi più noti di connettori a bordo, ma esistono altri stili che si montano al bordo come dispositivi a montaggio superficiale, o utilizzano un taglio fresato che consente il montaggio a pressione. Probabilmente uno dei connettori più comuni al mondo, i connettori USB, sono un primo esempio del secondo tipo di connettore che si basa su uno specifico spessore del PCB.

L'immagine sottostante mostra l'impronta di un connettore USB sul PCB con i suoi fori fresati mostrati per il montaggio. Questi fori sono standardizzati e saranno mostrati nel disegno meccanico per un connettore USB montato al bordo di un PCB. Le linguette che si inseriscono attraverso questi fori aiuteranno a mantenere il componente in posizione lungo il bordo del PCB.

L'ultimo tipo di connessione a bordo che può essere utilizzato in un PCB è con le dita dorate lungo il bordo del PCB. Queste schede si monteranno su un connettore a slot che fa contatto con le dita dorate lungo il bordo della scheda, e questi connettori richiedono che lo spessore totale della scheda rientri in un intervallo specifico. La maggior parte dei progettisti sarà familiare con le dita dorate lungo i moduli RAM, le schede PCIe, le schede figlie, i drive a stato solido e i connettori a slot chiave.

Impedenza delle Tracce

La distanza tra una traccia e il suo piano di riferimento più vicino (su uno strato adiacente) determina l'impedenza della traccia, così come il livello di perdite dielettriche nei circuiti multistrato. Optare per uno spessore dello strato più sottile richiede tracce più sottili. Se si desidera progettare con una larghezza di traccia specifica, ad esempio per alloggiare un connettore specifico o un pacchetto IC, allora si dovrebbe considerare lo spessore dello strato necessario per supportare la larghezza desiderata.

Potrebbe accadere che lo spessore dello strato di cui hai bisogno non finisca per cambiare lo spessore della scheda, ma questo dipende dagli spessori dei laminati core e prepreg disponibili. È meglio verificare con la propria fabbrica di produzione quali laminati hanno disponibili e progettare in funzione di quegli spessori di laminato, piuttosto che impostare uno spessore specifico nel proprio progetto e aspettarsi che tale spessore sia realizzabile.

La riserva a questo è se si può accedere a un elenco di prodotti dal produttore del laminato. Alcuni produttori di laminati forniranno un lungo elenco dei loro nuclei e prepreg disponibili che includono valori di spessore. Finché lo chiarisci con la tua casa di fabbricazione, puoi certamente scegliere da queste liste per proporre il tuo stackup. Assicurati solo che il tuo fabbricante abbia in stock i materiali e disponga delle capacità di lavorazione necessarie per supportarti in questo approccio. Un esempio di lista che potresti trovare da un fornitore di laminati è mostrato di seguito; questa lista mostra una sezione trasversale dei dati di core e prepreg per i materiali FR408 di Isola.

PCB ad alta velocità/alta frequenza

Se stai lavorando con un dispositivo ad alta velocità, FR4 non è sempre la migliore opzione, e potrebbe essere desiderabile un altro materiale a bassa perdita. Se la lunghezza del collegamento è breve, allora le perdite saranno dominate dalla perdita di ritorno al componente del carico, quindi i laminati speciali a bassa perdita non sono così importanti. Per collegamenti più lunghi, la perdita totale sarà dominata dalla perdita di inserzione, quindi l'uso di un laminato con la perdita più bassa aiuterà a massimizzare la lunghezza del collegamento.

Tenere conto di questi punti richiede di considerare gli stessi aspetti dell'impedenza delle tracce. Lo spessore del layer è più importante dello spessore totale della scheda, ma lo spessore totale della scheda sarà comunque determinato dalla combinazione dei layer. Se prevedi di utilizzare laminati spessi o sottili, pensa a come lo spessore del layer influisce sulle perdite. Per microstrip ad alta velocità, uno strato dielettrico più spesso confinerà più linee di campo nel substrato, quindi le perdite saranno maggiori.

Espansione Termica, Rapporto d'Aspetto dei Via e Fabbricabilità

Il prossimo aspetto da considerare riguardo allo spessore della scheda è in termini di fabbricabilità e affidabilità, specificamente per quanto riguarda l'espansione termica e i via. Tutti i materiali si espanderanno riscaldandosi ad alte temperature, inclusi i via in una PCB. In particolare, questo è importante per i via passanti, che devono essere forati completamente attraverso lo stack di layer. A seconda dello spessore della scheda e della dimensione del foro, hai due compromessi da considerare quando dimensioni i via:

• I rapporti di aspetto maggiori possono essere più difficili da placcare, e una scheda più spessa avrà un rapporto di aspetto maggiore per una data dimensione del foro
• Una dimensione del foro più grande è più facile da trapanare e placcare, anche se la scheda è più spessa
• Se la scheda è troppo spessa, potresti aumentare i costi in grandi volumi a causa dell'usura degli strumenti
• Il produttore potrebbe modificare la forza di lancio nel processo di placcatura pulsata per adattarsi a rapporti di aspetto elevati

I via passanti con rapporti di aspetto elevati (10:1 o superiori) sono suscettibili di fallimento sotto cicli termici vicino al centro del barilotto del via a causa dell'espansione termica se non sono placcati correttamente. Il produttore che utilizzi dovrebbe avere esperienza nel lavorare con via di rapporto di aspetto elevato nel loro processo di fabbricazione per garantire che avrai una PCB affidabile che non fallisca sotto cicli termici. Prima di inviare una scheda spessa, assicurati che abbiano le capacità di produrre i tuoi via con una placcatura sufficiente della parete per prevenire fallimenti.

Ovviamente, ci sono una serie di compromessi di progettazione che devono essere considerati quando si seleziona lo spessore del PCB di una scheda FR4, lo spessore standard dei strati e il materiale laminato. Gli strumenti CAD e le funzionalità di controllo delle regole in Altium Designer^® rendono facile progettare il tuo dispositivo attorno allo spessore standard FR4. Per saperne di più, parla oggi con un esperto di Altium Designer.