Parametri chiave dei circuiti stampati PCB

Spiegazione dettagliata dei parametri chiave del PCB

1. Parametri di prestazione elettrica

Le proprietà elettriche di un PCB influiscono direttamente sull'integrità del segnale, soprattutto nei circuiti ad alta frequenza e ad alta velocità.

• Costante dielettrica (Dk) - Misura la capacità di un materiale di immagazzinare energia elettrica. I valori Dk più bassi (ad esempio, il PTFE con Dk≈2,2) consentono una trasmissione del segnale più rapida, rendendoli ideali per le applicazioni 5G e a onde millimetriche.
• Fattore di dissipazione (Df/Tangente di perdita) - Indica la perdita di energia del segnale. Le applicazioni ad alta frequenza (ad esempio, radar, comunicazioni satellitari) richiedono un Df < 0,005.
• Resistività superficie/volume - L'elevata resistenza di isolamento (>10¹² Ω-cm) impedisce le correnti di dispersione, fondamentale per i circuiti stampati ad alta tensione (ad esempio, i moduli di potenza).
• Tensione di guasto - L'FR4 standard resiste a ≥20 kV/mm, mentre i substrati ceramici possono sopportare fino a 50 kV/mm.
• Controllo dell'impedenza - I circuiti stampati ad alta velocità (ad esempio, DDR5, PCIe 6.0) richiedono una stretta tolleranza di impedenza (±5%) per ridurre al minimo le riflessioni del segnale.

2. Parametri di prestazione termica

La resistenza al calore di un PCB determina la sua affidabilità in ambienti ad alta temperatura, in particolare per la saldatura senza piombo e la stabilità a lungo termine.

• Temperatura di transizione vetrosa (Tg) - L'FR4 standard ha una Tg≈130°C, mentre i PCB ad alta Tg (Tg≥170°C) sono utilizzati nell'elettronica automobilistica e militare.
• Temperatura di decomposizione termica (Td) - I materiali con Td > 325°C (ad esempio, Isola 370HR) sono da preferire per la saldatura senza piombo.
• Conduttività termica - L'FR4 ha una bassa conducibilità termica (~0,3 W/m-K), mentre i PCB con anima in metallo (ad esempio, alluminio) possono raggiungere i 10 W/m-K, rendendoli ideali per il raffreddamento dei LED.
• Coefficiente di espansione termica (CTE) - Il CTE dell'asse Z deve essere <50 ppm/°C per evitare la delaminazione nei PCB multistrato (i substrati IC richiedono CTE≈6 ppm/°C).

3. Parametri delle prestazioni meccaniche

La resistenza meccanica influisce sui processi di assemblaggio e sulla durata a lungo termine.

• Resistenza alla flessione - L'FR4 standard varia da 400 a 600 MPa, mentre i PCB flessibili (poliimmide) richiedono >200 MPa.
• Forza della buccia - L'adesione del rame deve essere superiore a 1,0 N/mm (standard IPC) per evitare il distacco della lamina durante la saldatura.
• Assorbimento dell'acqua - Il basso assorbimento di umidità (<0,2%) impedisce la formazione di bolle; i laminati ad alta frequenza mantengono in genere <0,1%.

4. Caratteristiche strutturali

La precisione di produzione è fondamentale per interconnessione ad alta densità (HDI) e progetti miniaturizzati.

• Tolleranza sullo spessore del rame - Il rame standard da 1 oz ha una tolleranza di ±10%, mentre i circuiti di precisione richiedono ±5%.
• Precisione di registrazione da strato a strato - I PCB HDI richiedono un allineamento di <25 μm, mentre le schede multistrato standard consentono <50 μm.
• Traccia minima/Spazio (L/S) - I PCB standard utilizzano 0,1 mm/0,1 mm, mentre i substrati IC avanzati raggiungono 20 μm/20 μm.

5. Metriche di verifica dell'affidabilità

I PCB devono superare test rigorosi per garantire la stabilità a lungo termine.

• Resistenza del filamento conduttivo anodico (CAF) - Valuta i rischi di cortocircuito in condizioni di umidità (85°C/85% RH per 1000 ore).
• Resistenza di isolamento superficiale (SIR) - Deve superare i 10⁸ Ω (secondo gli standard JIS).
• Test di ciclismo termico - Resiste a 100 cicli (da -55°C a 125°C) senza incrinarsi (i PCB automobilistici richiedono test più severi).

6. Conformità ambientale e di processo

Le normative ambientali (ad esempio, RoHS, REACH) guidano i progressi dei materiali per PCB.

• Indice di inseguimento comparativo (CTI) - I dispositivi medici necessitano della Classe 3 (400-600 V), mentre i controlli industriali richiedono la Classe 2.
• Senza alogeni - Il contenuto di cloro/bromo deve essere <900 ppm per ridurre le emissioni tossiche.
• Ritardo di fiamma (UL94) - V-0 è la classificazione più alta, obbligatoria per le applicazioni aerospaziali.

Classificazione e selezione delle schede PCB

1. Materiali comuni per PCB

• FR4 - Laminato epossidico standard per l'elettronica di consumo.
• CEM-3 - Substrato composito, conveniente per semplici PCB a doppia faccia.
• PCB ad alto Tg (Tg≥170°C) - Resistente al calore per uso automobilistico e militare.
• Laminati ad alta frequenza (ad esempio, Rogers RO4003C) - Basso Dk/Df per applicazioni 5G/radar.
• PCB con anima in metallo (Alluminio/Rame) - Eccellente gestione termica per LED e moduli di potenza.

2. Confronto tra i materiali dei PCB

3. Come scegliere il giusto materiale per PCB?

• Applicazioni ad alta frequenza → Materiali a basso Dk/Df (Rogers, Taconic).
• Ambienti ad alta temperatura → Materiali ad alta Tg (≥170°C) o ad alta Td (>325°C).
• Dissipazione del calore ad alta potenza → Nucleo metallico o FR4 ad alta conduttività termica.
• Requisiti ecologici → Materiali privi di alogeni e conformi alla direttiva RoHS.

La scelta dei parametri del PCB influisce direttamente sulle prestazioni, sull'affidabilità e sul costo del prodotto. Gli ingegneri devono selezionare i materiali appropriati per le schede (come FR4, CEM-3, PCB ad alta Tg, ecc.) in base allo scenario applicativo (come alta frequenza, alta temperatura, alta potenza) e ottimizzare il progetto per migliorare l'integrità del segnale, le capacità di dissipazione del calore e la resistenza meccanica.