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La scelta del materiale per una scheda prototipo PCB determina la qualità del prodotto finale, la stabilità a lungo termine e costo. Nella fase di prototipazione è necessario trovare un equilibrio tra rapidità di produzione, controllo dei costi ed esigenze del prodotto finale.
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Materiali di base comuni (materiali di substrato)
Lo strato di base (Core) è la struttura principale del PCB. Conferisce resistenza meccanica e mantiene l'isolamento elettrico.
FR-4 (scelta standard)
| Caratteristica | Descrizione | Casi d'uso |
|---|---|---|
| Nome completo | Livello ignifugo 4. Si tratta di un tessuto in fibra di vetro con resina epossidica. | Funziona con quasi tutti i circuiti digitali e analogici generici a basso costo. |
| Costante dielettrica | Circa 4,2 – 4,7 (varia in base alla velocità del segnale) | Buono, ma prestare attenzione all'uso ad alta velocità. |
| Temperatura di transizione vetrosa | Da 130 °C a 180 °C (lo standard è spesso 140 °C) | Questo imposta il limite massimo per la saldatura e la temperatura di lavorazione. |
| Pro | Basso costo, facile da realizzare, elevata resistenza meccanica. | |
| Contro | Elevata perdita di segnale alle alte velocità. . |
FR-4 ad alto Tg
Questo utilizza una resina epossidica di qualità superiore. Aumenta la Tg fino a 170 °C o più.
- Casi d'uso: Schede di alimentazione o schede multistrato che si surriscaldano. Devono sopportare numerosi cicli di saldatura ad alta temperatura.
Poliimmide e materiali flessibili
- Caratteristiche: Questi materiali sono molto resistenti al calore e possono piegarsi facilmente.
- Casi d'uso: Circuiti stampati flessibili (FPC) e schede pieghevoli. Utilizzateli quando è necessario instradare i cavi in spazi ridotti o ristretti.
Scegli i materiali in base all'uso che verrà fatto della tavola
Quando scegliete un materiale, non considerate solo il costo. Dovete pensare all'uso finale della scheda e all'ambiente in cui verrà utilizzata.
Progettazione di segnali veloci e ad alta frequenza (alta velocità/RF)
Se la scheda funziona a oltre 500 MHz o se i segnali digitali si attivano molto rapidamente, è necessario utilizzare materiali con bassa perdita di segnale.
- Fattore chiave: Fattore di dissipazione. D bassof significa che si perde meno potenza del segnale.
- Materiali di buona qualità:
- PTFE (Teflon): Come i materiali del marchio Rogers. Utilizzabili per circuiti a microonde e radiofrequenza (RF).
- Epossidico a bassa perdita: Questo ha un D inferioref rispetto allo standard FR-4. Utilizzarlo per schede digitali veloci intorno a 1 GHz.
Utilizzo di calore ed energia (gestione termica)
I LED ad alta potenza, i componenti di potenza o i chip ad alta densità generano molto calore. Sono necessari materiali che dissipino bene il calore.
- Fattore chiave: Conducibilità termica. Un numero più alto indica che il materiale conduce il calore più rapidamente.
- Materiali di buona qualità:
- PCB con nucleo metallico (MCPCB): Utilizzare un nucleo in alluminio invece di FR-4. Questo trasferisce il calore molto bene. Invia il calore direttamente a un dissipatore di calore esterno.
- Base in polimero/ceramica resistente alle alte temperature: Utilizzateli per schede che richiedono sia un ottimo trasferimento di calore che un ottimo isolamento elettrico.
Opzioni conduttore e isolante
| Parte | Materiali comuni | Caratteristiche e aspetti da verificare |
|---|---|---|
| Conduttore (Tracce) | Foglio di rame elettrodepositato (ED) | Spessore del rame: Le schede prototipo utilizzano spesso rame da 1 oz/ft² (35 µm). Utilizzare rame più spesso per circuiti ad alta corrente. |
| Isolante (pellicola) | Preimpregnato | Viene utilizzato per unire gli strati in una scheda multistrato. Il suo spessore controlla il grado di corrispondenza del segnale tra gli strati. La corrispondenza precisa può essere ottenuta utilizzando Misuratori di spessore. |
| Finitura superficiale | ENIG, HASL, OSP | Vedi la parte successiva. |
Finitura superficiale: fondamentale per la protezione e la saldatura
La finitura superficiale è uno strato di metallo o polimero applicato sui pad in rame. Impedisce al rame di arrugginirsi. Inoltre rende il pad facile da saldare.
Tipi di finitura e bilanciamento tra costo e prestazioni
| Tipo | Nome completo | Pro | Contro |
|---|---|---|---|
| HASL | Livellamento con saldatura ad aria calda | Basso costo, resistente e durevole. | Superficie irregolare. Non adatto per parti con passo molto fine (come BGA). |
| ENIG | Nichel chimico con immersione in oro | Superficie molto piatta. Ottima per passi fini e BGA. Non arrugginisce facilmente. | Costo più elevato. Può presentare il problema del “Black Pad”. |
| OSP | Conservante organico per saldabilità | Costo molto basso. Ottimo per il pianeta. | Breve durata di conservazione. Non funziona bene dopo molte operazioni di saldatura. |
| EAG | Oro chimico | Utilizzarlo per i contatti dei pulsanti e altri punti di contatto affidabili. | Molto costoso. |
Consiglio semplice sul prototipo: Per i prototipi generici, HASL (senza piombo) offre il miglior rapporto qualità-prezzo. Se il tuo progetto prevede BGA o componenti di piccole dimensioni, ENIG è la scelta migliore.
Ambiente e regole ecologiche
I produttori di PCB devono seguire rigide norme ecologiche. I progettisti devono pensare all'ambiente quando realizzano un prototipo.
Materiali privi di alogeni
- Cos'è: Materiali che non utilizzano ritardanti di fiamma con alogeni (come bromo o cloro).
- Vantaggio: Non rilasciano fumi tossici (come le diossine) quando vengono riscaldati o bruciati.
- Tendenza: Molte aziende ora richiedono materiali privi di alogeni. I prototipi dovrebbero utilizzarli, anche se il costo è leggermente superiore.
Conformità RoHS/REACH
- Cosa controllare: Assicurati che i tuoi materiali (come saldature e finiture) siano conformi alle norme RoHS e REACH. Questo è molto importante se prevedi di vendere il prodotto finale in luoghi come l'Europa.
Bilanciamento tra costi e prestazioni nella fase di prototipazione
Quando si scelgono i materiali per i prototipi, è necessario trovare un equilibrio tra quattro esigenze fondamentali:
- Requisiti prestazionali: Hai bisogno di un D basso?f, Tg elevato o trasferimento di calore rapido? (Una qualità migliore comporta un costo maggiore.)
- Realizzazione del tabellone: I materiali speciali (come Rogers) richiedono più tempo e sono più difficili da usare rispetto allo standard FR-4.
- Costo: Il FR-4 è sempre il più economico. I materiali ad alte prestazioni possono costare da 5 a 20 volte di più.
- Rimani lo stesso: Il materiale del prototipo dovrebbe essere simile al materiale finale. Questo aiuta a garantire che il prodotto finale funzioni allo stesso modo.
Sommario: Il miglior materiale prototipale soddisfa le esigenze energetiche più basilari. Consente di risparmiare spazio per successivi aggiornamenti al materiale definitivo. Inoltre, mantiene bassi i costi e veloci i tempi di produzione.
