Di cosa sono fatti i circuiti stampati? Una guida per i produttori di PCB sui materiali delle schede

Chiedete alla maggior parte degli ingegneri di cosa è fatto un circuito stampato e otterrete una sola parola: fibra di vetro. La risposta è corretta, ma copre solo il primo strato di una storia più lunga. Un circuito stampato è una pila di materiali attentamente progettati e ognuno di essi deve guadagnarsi il suo posto. Il substrato fornisce alla scheda il suo corpo e il suo isolamento elettrico, il rame trasporta la corrente, la maschera di saldatura protegge la superficie e la finitura finale mantiene il rame saldabile per anni.

Produciamo pannelli nel nostro stabilimento di Guangde dal 2013, da semplici pannelli a lato singolo fino a pile a 32 strati, quindi tendiamo a rispondere a questa domanda come fa un produttore. La vera domanda non è di cosa sia fatto un PCB in generale, ma quale combinazione di materiali sopravviverà all'ambiente del prodotto per la sua durata prevista.

Gli ingredienti principali di un circuito stampato

Eliminando il gergo, quasi ogni tavola è costruita con lo stesso breve elenco di materiali:

• Substrato: la base isolante, solitamente tessuto in fibra di vetro legato con resina epossidica.
• Lamina di rame: laminata sul substrato e incisa in tracce, cuscinetti e piani.
• Placcatura: rame, e talvolta stagno o oro, depositato all'interno di fori praticati per collegare gli strati.
• Maschera di saldatura: il rivestimento colorato che copre tutto tranne i cuscinetti necessari per saldare.
• Serigrafia: la legenda stampata che identifica componenti e designatori di riferimento.
• Finitura superficiale: un sottile strato metallico o organico che impedisce al rame esposto di ossidarsi.

Ciascuno di questi materiali può essere scambiato, aggiornato o ispessito e ogni sostituzione modifica allo stesso tempo costi, producibilità e affidabilità sul campo.

Il substrato: tela di vetro, resina e alternative

Lo standard FR-4 inizia con un tessuto di vetro. Il tessuto viene impregnato con resina epossidica e parzialmente polimerizzato in un foglio chiamato preimpregnato, quindi impilato e pressato sotto calore e pressione finché la resina non scorre e si indurisce. Il risultato è rigido, dimensionalmente stabile e un ottimo isolante: il vetro fornisce resistenza meccanica mentre la resina definisce il comportamento elettrico e termico.

Da quel punto di partenza la famiglia si ramifica rapidamente:

• FR-4 nelle qualità standard, ad alta Tg e senza alogeni, il cavallo di battaglia del settore.
• CEM-1 e CEM-3, epossidici compositi con anima in vetro non tessuto per prodotti sensibili ai costi.
• FR-1 e FR-2, laminati a base di carta utilizzati in pannelli monofacciali a basso costo.
• Pellicola in poliimmide, la base flessibile per FPC e progetti rigido-flessibili che devono piegarsi.
• Laminati in PTFE e idrocarburi riempiti con ceramica, scelti quando la perdita di segnale deve rimanere bassa a frequenze gigahertz.

La maggior parte dei compromessi importanti risiede nel sistema in resina piuttosto che in quello in rame. La temperatura di transizione vetrosa, la temperatura di decomposizione, la costante dielettrica e l'assorbimento di umidità derivano tutti dalla chimica del laminato.

PCB OSP a doppia faccia I PCB FR4 utilizzano un substrato in resina epossidica in fibra di vetro, che offre eccellente resistenza meccanica, resistenza alle alte temperature e proprietà di isolamento elettrico. Loro... Visualizza il prodotto →

Una scheda FR-4 a doppia faccia con finitura OSP è l'esempio quotidiano: laminato standard, spessore standard e una finitura che si adatta alla saldatura a rifusione di volumi elevati senza costi aggiuntivi.

Rame: la parte che trasporta la corrente

Il rame è il secondo ingrediente essenziale. Il foglio è specificato in base al peso e vale la pena memorizzare la conversione: un'oncia di rame distribuita su un piede quadrato ha uno spessore di circa 35 micron. I progetti digitali a passo fine di solito vengono eseguiti su un foglio da mezza oncia o un'oncia, le schede di potenza aumentano fino a due once e i lavori in rame pesante arrivano a tre once e oltre.

Il rame appare in più punti rispetto alle tracce visibili. Durante la fabbricazione, ulteriore rame viene galvanizzato in ogni foro praticato per formare una parete continua del cilindro e gli strati esterni vengono placcati con motivo prima dell'incisione. La qualità della placcatura, non solo il suo spessore, decide se un via sopravvive a ripetuti cicli termici.

Quando le esigenze attuali aumentano, la risposta spesso è più rame piuttosto che una maggiore area della scheda. Le costruzioni in rame pesante distribuiscono il carico sugli strati interni, mantenendo sotto controllo l'aumento della temperatura senza un dissipatore di calore esterno.

Rame a 14 strati I PCB in rame spesso utilizzano un foglio di rame ultra spesso da 3 once a 20 once, vantando un'eccezionale capacità di trasporto di corrente (oltre 100 A) e resistenza alle alte temperature... Visualizza il prodotto →

Quando la vetroresina è la scelta sbagliata

FR-4 risponde alla maggior parte delle domande, ma tre famiglie materiali prendono il sopravvento quando non può.

Schede con nucleo metallico e con nucleo in rame

L'alluminio viene utilizzato come base quando il calore deve lasciare rapidamente la tavola. Un sottile strato dielettrico è incollato all'alluminio, i circuiti in rame sono incisi sulla parte superiore e il supporto metallico funge da diffusore di calore. Le versioni con nucleo in rame vanno oltre, trasportando densità di corrente molto elevate nell'illuminazione a LED, negli azionamenti dei motori e nella conversione di potenza. Per quanto sottile, lo strato dielettrico deve comunque trattenere l'intera tensione di esercizio, quindi il suo spessore e la conduttività termica sono i due numeri che vale la pena controllare prima.

PCB in alluminio a lato singolo I substrati metallici utilizzano alluminio, rame e altri metalli come strato centrale termicamente conduttivo. Un dielettrico isolante specializzato garantisce una dissipazione del calore superiore... Visualizza il prodotto →

Substrati ceramici

L'allumina e il nitruro di alluminio apportano una conduttività termica che nessun laminato polimerico può eguagliare, insieme a un coefficiente di dilatazione termica vicino al silicio. Appaiono nei moduli LED ad alta potenza, negli stadi di potenza RF e nei sensori che devono continuare a funzionare nonostante ampi sbalzi di temperatura.

Film flessibili

La poliimmide sostituisce il tessuto di vetro quando la tavola deve piegarsi. Valgono le stesse regole di rame e finitura, cambia solo il basamento e con esso le regole di movimentazione in fase di montaggio.

Maschera di saldatura, serigrafia e finiture superficiali

La maschera di saldatura è un rivestimento a base epossidica applicato sulla scheda e poi polimerizzato. Impedisce alla saldatura di creare ponti tra i pad, protegge il rame sottostante dall'umidità e dalla contaminazione e conferisce alla scheda il suo colore familiare. Il verde è tradizionale perché vanta la più lunga esperienza nel campo dell'imaging e dell'ispezione, ma il nero, il blu, il rosso e il nero opaco sono oggi di routine. L'inchiostro serigrafico è stampato sulla parte superiore della maschera per contrassegnare i riferimenti e la polarità dei componenti e, sebbene non conduca corrente, è la prima cosa su cui fa affidamento un operatore di assemblaggio.

La finitura superficiale è l’ultima decisione materiale e una delle più consequenziali. Il livellamento della saldatura ad aria calda è l'opzione a basso costo, l'OSP è organico e svanisce dopo alcuni riflussi e l'ENIG o l'argento per immersione fornisce una superficie piana per le parti a passo fine. Quando una tavola viene inserita e rimossa ripetutamente, la risposta è l'oro duro. Tutte le nostre finiture sono disponibili nelle versioni senza piombo.

Panoramica dei materiali dei circuiti stampati

La tabella seguente riassume i sistemi materiali che costruiamo più spesso e di cosa è fatto ciascuno.

Come l'applicazione seleziona il materiale

La scelta del materiale raramente è una scelta libera. Ne consegue l'ambiente in cui vivrà la tavola.

Prodotti di consumo ed elettrodomestici

Laddove il costo prevale, di solito è sufficiente lo standard FR-4 o CEM-3 con finitura HASL o OSP.

Controllo automobilistico e industriale

Vibrazioni, cicli termici e lunga durata spingono i progetti verso laminati ad alta Tg, rame più spesso e finiture come ENIG che sopravvivono a ripetuti riflussi.

Disegni di potenza e ad alta frequenza

La gestione termica e l'integrità del segnale hanno la priorità, il che significa materiali con anima in metallo, ceramica o PTFE piuttosto che una scheda di vetro più spessa.

Se non sei sicuro di dove si trovi il tuo prodotto, è utile vedere come vengono già costruite schede simili. Puoi navigare le aree applicative che supportiamo per vedere le combinazioni di materiali già provate in ogni segmento.

Note pratiche dall'officina

Alcune cose che diciamo ai clienti che scelgono i materiali per la prima volta:

1. Scegli la finitura prima che il layout sia congelato, perché la geometria del pad e il tendaggio dipendono da questo.
2. Adattare il peso del rame alla corrente, non all'abitudine, poiché il rame sovradimensionato aumenta la difficoltà e il costo dell'incisione.
3. Chiedete subito informazioni sulla Tg, perché un laminato ad alta Tg costa un po' di più ed elimina un'intera classe di guasti sul campo.
4. Conferma il disegno di impilamento prima del rilascio, perché la maggior parte dei ritardi inizia come un livello mancante o ambiguo.

Se desideri uno sguardo più approfondito su come interagiscono la scelta del laminato, il peso del rame e la finitura, consulta la nostra guida selezionando FR-4, RF e materiali con anima metallica esamina i confronti in modo più dettagliato.

Allora di cosa sono fatti i circuiti stampati? Tessuto di vetro e resina epossidica, lamina di rame e cilindri placcati, una maschera di saldatura, una legenda stampata e una finitura finale che mantiene il tutto saldabile. La parte interessante non è l'elenco in sé ma il modo in cui questi materiali sono abbinati al lavoro. Se ottieni quella corrispondenza giusta, il consiglio farà tranquillamente il suo lavoro per un decennio o più.