Materiali per nuclei di circuiti stampati e prepreg

Ogni PCB multistrato è costituito da due materiali fondamentali: l’anima e il preimpregnato. Sebbene siano raramente visibili nel prodotto finito, essi svolgono un ruolo fondamentale nel determinare lo spessore della scheda, la distanza tra gli strati, il controllo dell’impedenza, la stabilità meccanica e l’affidabilità di produzione.

Che si tratti di produrre un semplice circuito stampato a 4 strati o un backplane complesso con un elevato numero di strati, comprendere come i materiali del nucleo e i preimpregnati interagiscono tra loro è fondamentale per la progettazione dello stackup e la fabbricazione dei circuiti stampati.

Che cos’è il materiale di base dei PCB?

Il materiale del nucleo è un laminato completamente indurito con una lamina di rame incollata su entrambi i lati.

Costituisce la base strutturale di un circuito stampato multistrato e garantisce la rigidità durante la produzione.

Un nucleo tipico è costituito da:

• Rinforzo in fibra di vetro
• Sistema a resina
• Foglio di rame su entrambe le superfici

La struttura è simile a quella dei materiali laminati standard descritti in Spiegazione dei materiali laminati per circuiti stampati, tranne per il fatto che la resina ha già completato il processo di indurimento.

I materiali di base sono disponibili in un'ampia gamma di spessori per soddisfare diverse esigenze di assemblaggio.

Funzioni del materiale di base

Gli strati centrali garantiscono:

• Resistenza meccanica
• Isolamento elettrico
• Supporto in rame
• Stabilità dimensionale

Senza nuclei, le schede multistrato non manterrebbero la loro integrità strutturale durante la laminazione e l'assemblaggio.

Che cos’è il prepreg per circuiti stampati?

Il termine "prepreg" sta per materiale "preimpregnato".

È costituito da un tessuto in fibra di vetro impregnato di resina parzialmente indurita.

A differenza del materiale dell'anima, il preimpregnato rimane in uno stato di semistagionatura prima della laminazione.

Durante il processo di laminazione dei circuiti stampati, il calore e la pressione fanno sì che la resina si fluidifichi e polimerizzi completamente, unendo tra loro gli strati adiacenti.

Uno strato di preimpregnato contiene in genere:

• Tessuto in fibra di vetro
• Resina epossidica parzialmente indurita
• Senza lamina di rame

Il suo scopo principale è quello di garantire l'adesione tra gli strati centrali.

Come funzionano insieme il nucleo e il preimpregnato

Un circuito stampato multistrato è essenzialmente una pila di strati di rame separati da nuclei e preimpregnati.

Ad esempio, una tipica struttura a 4 strati potrebbe presentarsi così:

Rame
Anima
Rame
Preimpregnato
Rame
Anima
Rame

Durante la laminazione:

1. Il preimpregnato si ammorbidisce.
2. La resina penetra nelle fessure.
3. Gli strati sono uniti tra loro.
4. La resina si indurisce completamente.
5. Si forma un'unica struttura rigida.

Questo processo consente di realizzare la struttura multistrato dei circuiti stampati utilizzata nell'elettronica moderna.

Materiale didattico relativo ai Common Core

Anima standard in FR4

La maggior parte dei circuiti stampati multistrato utilizza materiali di base FR4.

I vantaggi includono:

• Basso costo
• Buona resistenza meccanica
• Caratteristiche di lavorazione costanti
• Ampia disponibilità

Per l'elettronica di uso generale, l'FR4 rimane la scelta più diffusa.

Gli ingegneri che non conoscono bene le proprietà del FR4 possono consultare Spiegazione del materiale FR4 per circuiti stampati per ulteriori informazioni di contesto.

Materiali per anime ad alto TG

Le applicazioni che prevedono temperature più elevate utilizzano spesso anime con un TG elevato.

I vantaggi includono:

• Maggiore stabilità termica
• Riduzione dell'espansione sull'asse Z
• Maggiore affidabilità durante l'assemblaggio senza piombo

Questi materiali si trovano comunemente in:

• Elettronica per autoveicoli
• Controlli industriali
• Sistemi di conversione di potenza
• Server

Come illustrato in Circuito stampato in FR4 ad alto TG, valori più elevati di TG possono migliorare significativamente l'affidabilità a lungo termine.

Materiali per nuclei ad alta velocità

Le moderne apparecchiature di comunicazione utilizzano spesso nuclei specializzati a bassa perdita.

Gli esempi includono:

• Serie Megtron
• Materiali ad alta velocità Isola
• Laminati I-Speed
• Sistemi FR4 a bassa perdita

Questi materiali contribuiscono a mantenere l'integrità del segnale a velocità di trasmissione elevate.

Tipi comuni di preimpregnati

I preimpregnati vengono generalmente classificati in base al tipo di fibra di vetro e al contenuto di resina.

Tra i modelli più comuni in fibra di vetro figurano:

• 106
• 1080
• 2113
• 2116
• 7628

Ogni modello presenta uno spessore e caratteristiche della resina diversi.

Preimpregnato a basso contenuto di resina

Offerte:

• Migliore controllo dello spessore
• Flusso di resina ridotto
• Maggiore stabilità dimensionale

Viene spesso utilizzato nei circuiti stampati con un numero elevato di strati.

Preimpregnato ad alto contenuto di resina

Fornisce:

• Maggiore capacità di riempimento
• Migliore adesione
• Distanza dielettrica potenziata

Viene solitamente utilizzato in presenza di elementi in rame di grandi dimensioni.

Nucleo e prepreg nel controllo dell'impedenza

Una delle funzioni più importanti dei materiali core e prepreg è la gestione dell’impedenza.

L'impedenza del segnale dipende da:

• Costante dielettrica (Dk)
• Distanza tra gli strati
• Spessore del rame
• Geometria della traccia

Lo spessore dell'anima o del preimpregnato influisce direttamente sulla distanza tra gli strati di segnale e i piani di riferimento.

Anche piccole variazioni possono influire in modo significativo sui valori dell'impedenza controllata.

Per questo motivo, la progettazione dell’assemblaggio e la scelta dei materiali devono essere coordinate sin dall’inizio del progetto.

Le future discussioni sulle proprietà dielettriche saranno trattate in Valori Dk e Df nei materiali per circuiti stampati.

Scelta dei materiali per i circuiti stampati multistrato

Nella scelta dei materiali per il nucleo e i preimpregnati occorre tenere conto di diversi fattori.

Prestazioni elettriche

Le applicazioni che prevedono segnali ad alta velocità richiedono proprietà dielettriche stabili.

Requisiti termici

Temperature di esercizio più elevate potrebbero richiedere sistemi con TG elevato.

Spessore bordo

Le combinazioni di nucleo e prepreg determinano lo spessore finale del PCB.

Capacità di produzione

Alcuni materiali richiedono profili di laminazione specifici e controlli di lavorazione particolari.

Considerazioni sui costi

La scelta dei materiali dovrebbe essere in linea con i requisiti prestazionali, piuttosto che basarsi sulle specifiche più elevate disponibili.

Difficoltà comuni durante la laminazione

Una scelta errata dei materiali può causare diversi problemi di produzione.

Carenza di resina

Un flusso insufficiente di resina può causare la formazione di vuoti o un incollaggio non ottimale.

Flusso eccessivo di resina

Un movimento eccessivo della resina può alterare la distanza di isolamento e influire sull'impedenza.

Delaminazione

Una scarsa compatibilità dei materiali può causare la separazione degli strati durante i cicli termici.

Variazione dello spessore

Una scelta errata del prepreg può comportare uno spessore non uniforme del pannello finito.

I produttori di circuiti stampati con esperienza valutano questi fattori durante la fase di progettazione dello stackup per ridurre al minimo i rischi di produzione.

Perché la compatibilità dei materiali è importante

I materiali per l'anima e i prepreg provengono spesso dallo stesso produttore di laminati.

L'abbinamento dei sistemi di materiali contribuisce a garantire:

• Espansione termica uniforme
• Incollaggio affidabile
• Prestazioni dielettriche stabili
• Miglioramento della resa produttiva

L'uso di materiali incompatibili può comportare problemi di affidabilità nel corso della vita utile del prodotto.

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