Cos'è una sostanza di base per PCB?
La sostanza di base per PCB è il materiale fondamentale utilizzato nella fabbricazione di circuiti stampati (PCB). Tipicamente, la sostanza di base è un laminato rivestito di rame (CCL), che viene lavorato selettivamente con tecniche come la foratura, la placcatura chimica del rame, la galvanoplastica e l’incisione per ottenere il modello di circuito desiderato per PCB a faccia singola o a doppio lato. La sostanza di base svolge le funzioni di conduttività, isolamento e supporto. Le prestazioni, la qualità, la lavorazione durante la fabbricazione, il costo di fabbricazione e il livello di fabbricazione dei PCB dipendono fortemente dal materiale della sostanza di base.
Storia dello sviluppo della sostanza di base per PCB
La tecnologia e la produzione di materiali di base hanno subito mezzo secolo di sviluppo, con una produzione annuale globale che raggiunge i 290 milioni di metri quadrati, guidata dagli sviluppi innovativi nei prodotti elettronici, nella tecnologia di fabbricazione dei semiconduttori, nella tecnologia di assemblaggio elettronico e nella tecnologia dei PCB.
Dall’uso pratico di schede laminate rivestite di rame realizzate con substrati a base di resina fenolica nel 1943, lo sviluppo di materiali di base è stato molto rapido.
Nel 1959, Texas Instruments ha prodotto il primo circuito integrato, che ha aumentato il requisito di un assemblaggio più denso dei PCB, promuovendo la creazione di schede multistrato.
Nel 1961, Hazeltine Corporation negli Stati Uniti ha sviluppato con successo la tecnologia di schede multistrato utilizzando il processo di metallizzazione dei fori passanti.
Nel 1977, la resina BT ha raggiunto la produzione industriale, fornendo un nuovo tipo di materiale di base con Tg elevati e bassi per lo sviluppo di schede multistrato in tutto il mondo.
Nel 1990, IBM in Giappone ha annunciato una nuova tecnologia per schede multistrato utilizzando un metodo di impilamento degli strati con resina fotosensibile come strato isolante.
Nel 1997, la tecnologia di schede multistrato ad alta densità di interconnessione, comprese le schede multistrato impilate a strati, è entrata in una fase di sviluppo matura. Nel frattempo, i substrati di imballaggio in plastica, rappresentati da BGA e CSP, hanno avuto un rapido sviluppo. Alla fine degli anni ’90, sono emersi rapidamente e sono entrati nel mercato nuovi tipi di substrati, come i substrati ignifughi verdi senza bromo e antimonio.
Diversi tipi di materiali di base per PCB
I circuiti stampati possono generalmente essere classificati in due categorie in base ai materiali di base: materiali di base rigidi e materiali di base flessibili. La varietà più importante di materiali di base rigidi è laminato rivestito di rame (CCL), che è realizzato con materiale di rinforzo immerso in adesivo di resina, essiccato, tagliato, laminato e quindi ricoperto di lamina di rame. Si forma ad alta temperatura e pressione utilizzando una piastra di acciaio come stampo in una pressa a caldo. Fogli semi-induriti di CCL, realizzati principalmente in tessuto di vetro impregnato di resina, vengono utilizzati per produrre la maggior parte delle schede multistrato.
| Substrate Material | Description |
|---|---|
| Rigid Substrates | Non-flexible materials that withstand high temperatures and pressures. |
| Copper-Clad Laminate (CCL) | The main rigid substrate made by laminating copper foil onto resin-impregnated reinforcement material. |
| Flexible Substrates | Thin, lightweight materials that can bend or fold. |
| Reinforcement Materials | Paper, glass fiber cloth, composite-based (CEM series), and special materials (ceramic, metal core, etc.). |
| Resin Types | Phenolic, epoxy, polyester, and others. |
| Flame-Retardant Types | UL94-V0 (flame-retardant) and UL94-HB (non-flame-retardant). |
| Environment-Friendly CCL | Flame-retardant CCL without brominated compounds. |
| Performance-Based | General, low Dk, high heat-resistant (>150°C), low expansion CCLs, and others. |
Fattori da considerare nella scelta del materiale di base per PCB
Potresti chiederti quali fattori dovrebbero essere considerati quando si seleziona la sostanza di base per PCB. Beh, dipenderà dall’applicazione della tua scheda di circuito. Ma ci sono alcune importanti caratteristiche del materiale che influenzerebbero le prestazioni del tuo PCB. Dovresti prenderle in considerazione prima di prendere una decisione.
Costante dielettrica
Questa è la caratteristica elettrica primaria da considerare quando si progettano laminati per PCB ad alta velocità/alta frequenza. La costante dielettrica è una quantità complessa che è una funzione della frequenza e causa dispersione nei substrati PCB nelle seguenti forme:
Dispersione della velocità: poiché la costante dielettrica è una funzione della frequenza, frequenze diverse sperimenteranno livelli di perdita diversi e si propagheranno a velocità diverse.
Dispersione della perdita: l’attenuazione riscontrata da un segnale è anche una funzione della frequenza. Un modello semplice di dispersione suggerisce che la perdita aumenta con l’aumentare della frequenza, ma questo non è strettamente corretto e potrebbero esserci relazioni complesse tra la perdita e lo spettro di frequenza in alcuni laminati.
Entrambi questi effetti contribuiscono al grado di distorsione che un segnale subisce durante la propagazione. La dispersione è irrilevante per i segnali analogici che operano in bande molto strette o a una singola frequenza. Tuttavia, è fondamentale per i segnali digitali ed è una delle sfide principali nella modellazione di segnali digitali ad alta velocità e nella progettazione di interconnessioni.
Stile della trama in vetro
Lo stile della trama in vetro crea spazi sul substrato PCB, che è correlato al contenuto di resina sulla scheda. La combinazione del rapporto volumetrico di vetro e resina di impregnazione determina la costante dielettrica media del substrato. Inoltre, gli spazi nello stile della trama in vetro producono un fenomeno chiamato effetto della trama in fibra, in cui la costante dielettrica del substrato varia lungo la linea di interconnessione, causando sfasamento, risonanza e perdite. Questi effetti diventano evidenti a circa 50 GHz o frequenze più alte, influenzando i segnali radar, Gigabit Ethernet e i tipici segnali SerDes LVDS.
Rugosità del rame
Sebbene questa sia in realtà una caratteristica strutturale dei conduttori di rame stampati, contribuisce all’impedenza di interconnessione. La rugosità superficiale del conduttore aumenta effettivamente la sua resistenza all’effetto pelle alle alte frequenze, con conseguenti correnti parassite indotte durante la propagazione del segnale, causando perdite. L’incisione del rame, i metodi di deposizione del rame e la superficie del prepreg influenzano tutti in una certa misura la rugosità superficiale.
Conducibilità termica e calore specifico
La quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura della scheda di un grado è quantificata dal calore specifico del substrato, mentre la quantità di calore trasmessa attraverso la scheda per unità di tempo è quantificata dalla conducibilità termica. Queste proprietà del materiale PCB determinano congiuntamente la temperatura finale della scheda circuita quando raggiunge l’equilibrio termico con l’ambiente circostante durante il funzionamento. Se si distribuisce la scheda circuita in un ambiente che richiede una rapida dissipazione del calore a un dissipatore di calore o a un involucro di grandi dimensioni, è necessario utilizzare un substrato con una maggiore conducibilità termica.
Temperatura di transizione vetrosa e coefficiente di espansione termica (CTE)
Queste due caratteristiche del materiale PCB sono anche correlate. Tutti i materiali hanno un coefficiente di espansione termica (CTE), che è precisamente la quantità anisotropa nei substrati PCB (ovvero, la velocità di espansione è diversa lungo direzioni diverse). Una volta che la temperatura della scheda circuita supera la temperatura di transizione vetrosa, il CTE inizia a svolgere un ruolo, influenzando l’affidabilità della scheda. Pertanto, è importante selezionare un substrato con una temperatura di transizione vetrosa e un CTE appropriati che soddisfino i requisiti ambientali del PCB.
