DFM 101: Materiali PCB

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introduzione Una delle maggiori sfide che i progettisti di PCB devono affrontare è comprendere i fattori di costo nel processo di produzione di PCB. Questo articolo è il primo di una serie che tratterà questi fattori di costo (dal punto di vista del produttore di PCB) e le decisioni di progettazione che influiranno sull'affidabilità del prodotto.

DFM La progettazione per la produzione (DFM) è definita come la pratica di progettare schede a circuiti stampati che soddisfano non solo le capacità del processo di produzione di assemblaggio del cliente, ma anche le capacità del processo di fabbricazione della scheda al minor costo possibile. Sebbene non sostituiscano il coinvolgimento iniziale della progettazione con il produttore di PCB, questi articoli forniranno linee guida che aiuteranno a "progettare per il successo".

Materiali multistrato standard La maggior parte dei PCB sono prodotti utilizzando dielettrici in vetro epossidico (FR-4) e fogli di rame. I PCB sono costruiti con tre tipi di materiali di base: foglio di rame, prepreg e nuclei.

Figura 1: Un esempio di materiale vetroresina completamente indurito con rame laminato su entrambi i lati.

Materiali ad alta frequenza (RF/microonde). I progetti ad alta frequenza (1 GHz e oltre) richiedono materiali con costanti dielettriche e fattori di dissipazione strettamente controllati. I materiali FR-4 normalmente utilizzati per i PCB non hanno le caratteristiche controllate desiderate. I materiali del substrato utilizzati per le applicazioni ad alta frequenza erano originariamente basati su formulazioni di resina PTFE che hanno le proprietà desiderate, ovvero costante dielettrica controllata a ±0,04 e fattore di dissipazione a 0,0004. Questi valori possono variare leggermente a seconda del tipo di materiale e del fornitore. Oggi sul mercato sono presenti numerosi materiali che non contengono PTFE, ma hanno comunque valori controllati che possono essere utilizzati per applicazioni ad alta frequenza.

Tipi di materiali Esistono tre tipi di materiali di base: vetro non tessuto, vetro tessuto e riempito. Le designazioni delle specifiche militari sono GR (non tessuto) e GT, GX e GY (tessuto). Il materiale riempito non ha alcuna designazione.

I materiali non tessuti contengono una dispersione di microfibre di vetro nel substrato. Si tratta tipicamente di materiali con costanti dielettriche basse (2,20-2,35). Funzionano molto bene alle frequenze più alte, poiché il fattore di dissipazione è basso.

Tipi di lamina di rame Sono disponibili due tipi di fogli di rame incollati; elettrodepositato (ED) e ricotto arrotolato (RA). La differenza tra queste lamine è il processo di fabbricazione e il trattamento sul retro per migliorare l'adesione dell'incollaggio.

1. Il rame elettrodepositato (ED) viene prodotto galvanizzando il rame su un tamburo rotante che si traduce in una struttura a grani orientata verticalmente (Figura 2). Di fronte alla superficie del tamburo, la ramatura è ruvida, quasi come "denti", ed esaltata da ulteriori trattamenti. I denti forniscono una maggiore resistenza alla pelatura ma possono aumentare le perdite del conduttore ad alta frequenza a causa della profondità dei denti.

Figura 2: Rame elettrodepositato ottenuto mediante galvanica su un tamburo rotante.

2. Il rame ricotto laminato (RA) viene prodotto laminando un lingotto in lamine molto sottili. La struttura del grano è orientata orizzontalmente. La laminazione provoca stress nel foglio e deve essere ricotto a caldo per eliminare lo stress. Il rame ricotto arrotolato ha la stessa finitura su ciascun lato, il che richiede denti creati artificialmente sul retro. Questi denti sono circa la metà della profondità del rame elettrodepositato. Ciò fa sì che il rame ricotto arrotolato abbia circa la metà della resistenza alla pelatura del rame elettrodepositato. Ciò significa che il rame ricotto arrotolato offre prestazioni migliori a frequenze superiori a 13 GHz.

Figura 3: Il rame ricotto arrotolato (RA) viene prodotto laminando un lingotto in lamine molto sottili.

La resistenza alla pelatura è la quantità di forza, in libbre per pollice, che deve essere applicata per far sì che una striscia di lamina di rame larga 1 pollice si stacchi dal substrato. I valori tipici per il rame elettrodepositato (ED) da 1 oncia sono 9–11 libbre per pollice e il rame ricotto arrotolato (RA) da 1 oncia è 4–6 libbre per pollice. Man mano che le tracce del circuito si restringono, la resistenza alla pelatura diminuisce. Pertanto, è necessaria maggiore attenzione nel saldare e incollare su tracce strette.