Panoramica approfondita della costruzione del laminato PCB

I PCB sono la spina dorsale dell'elettronica moderna, poiché forniscono una piattaforma per la connessione e il funzionamento senza problemi di vari componenti. Al centro di ogni PCB si trova una struttura complessa di strati interconnessi, ciascuno con uno scopo specifico nel garantire la funzionalità e l'affidabilità della scheda. Tra gli elementi chiave di una costruzione laminata PCB, i diagrammi di stack svolgono un ruolo fondamentale nel definire la costruzione della scheda. e proprietà elettriche. Comprendere la struttura del laminato PCB è essenziale per i progettisti e i produttori di PCB per creare circuiti stampati efficienti e di alta qualità.

L'essenza di un circuito stampato (PCB) risiede nella sua struttura intricata che coinvolge diversi strati interconnessi da materiali prepreg e core.

Il prepreg, spesso chiamato anche foglio impregnato di resina di stadio B, è un materiale parzialmente polimerizzato composto da resina impregnata in sottili pellicole. Svolge una duplice funzione nella produzione di PCB multistrato : agisce come adesivo per unire i circuiti conduttivi interni e fornisce isolamento tra gli strati. Durante la laminazione, la resina epossidica del prepreg si fonde, fluisce e si solidifica, unendo efficacemente gli strati del circuito e formando una barriera isolante affidabile tra di essi.

Il materiale del nucleo, d'altro canto, costituisce l'elemento fondamentale di un PCB: una scheda rigida con uno spessore specifico e un foglio di rame laminato su entrambi i lati. Un tipico PCB multistrato viene fabbricato attraverso la laminazione di strati alternati di core e preimpregnati. Gli strati Prepreg, che formano quelli che chiamiamo strati “wet-out” o di impregnazione, possono unire insieme più strati centrali e, nonostante abbiano uno spessore iniziale, subiscono un certo restringimento durante il processo di pressatura.

Tipicamente, i due strati dielettrici più esterni di un PCB multistrato sono strati di impregnazione, coperti da strati di lamina di rame separati che fungono da piani conduttivi esterni. Le specifiche dello spessore grezzo per i fogli di rame esterni ed interni comunemente sono disponibili nelle varietà 0.5 OZ, 1 OZ e 2 OZ (dove 1 OZ corrisponde a circa 35 um o 1.4 mil). Dopo la lavorazione, lo strato esterno della lamina di rame aumenta tipicamente di spessore di circa 1 OZ, mentre lo spessore finale della lamina di rame interna rimane vicino al valore originale ma potrebbe ridursi leggermente a causa dell'incisione.

Lo strato più esterno di un PCB multistrato è costituito dalla maschera di saldatura , comunemente nota come "olio verde", sebbene possa essere anche gialla o di altri colori. Lo spessore della maschera di saldatura non è facilmente determinabile con precisione, essendo maggiore nelle aree senza rame rispetto a quelle con rame, tuttavia la sporgenza del rame è comunque percepibile al tatto sulla superficie del PCB.

Parametri e materiali PCB

Esistono differenze nei parametri PCB tra i diversi produttori, rendendo necessaria la comunicazione con gli ingegneri della fabbrica PCB per ottenere i loro dati specifici, concentrandosi principalmente sulla costante dielettrica e sullo spessore della maschera di saldatura, che può variare da un produttore all'altro.

Lamina di rame per strato esterno. Gli spessori disponibili per la lamina di rame per strato esterno includono 12 µm, 18 µm e 35 µm. Dopo la lavorazione, questi spessori finali risultano generalmente di circa 44 µm, 50 µm e 67 µm, equivalenti approssimativamente a 1 OZ, 1.5 OZ e 2 OZ di peso di rame rispettivamente. Si noti che quando si utilizza un software di calcolo dell'impedenza per il controllo, non è disponibile l'opzione per uno spessore di rame di 0.5 OZ per gli strati esterni.

Materiale del nucleo Il materiale del nucleo comunemente utilizzato è S1141A, che è un materiale FR-4 standard, rivestito in rame su entrambi i lati, con specifiche selezionabili che possono essere confermate direttamente con il produttore.

I preimpregnati sono disponibili in diverse specifiche di spessore originali, come 7628 (0.185 mm/7.4 mil), 2116 (0.105 mm/4.2 mil), 1080 (0.075 mm/3 mil) e 3313 (0.095 mm/4 mil). In seguito alla compressione, lo spessore si riduce solitamente di circa 10-15 µm (0.5-1 mil), pertanto lo spessore minimo dello strato dielettrico in una struttura a strati non deve essere inferiore a 3 mil. Un singolo strato di impregnazione può utilizzare fino a tre preimpregnati, di cui nessuno con lo stesso spessore; è possibile utilizzare almeno un preimpregnato, sebbene alcuni produttori ne richiedano un minimo di due. Se lo spessore del preimpregnato è insufficiente, la lamina di rame su entrambi i lati del nucleo può essere incisa e quindi riattaccata con altri preimpregnati, ottenendo così uno strato di impregnazione più spesso. La costante dielettrica dei preimpregnati varia con il loro spessore; la tabella seguente elenca gli spessori dei diversi modelli e le corrispondenti costanti dielettriche:

La costante dielettrica di un pannello laminato dipende dal materiale in resina utilizzato; Le schede FR4 presentano tipicamente un intervallo di costante dielettrica compreso tra 4.2 e 4.7, che diminuisce con l'aumentare della frequenza.

Strato di maschera di saldatura Lo spessore dello strato di maschera di saldatura sopra la lamina di rame, indicato come C2, è di circa 8-10 µm. Lo spessore della maschera di saldatura nelle aree senza rame, C1, varia in base allo spessore del rame superficiale, essendo di circa 13-15 µm per un rame di 45 µm di spessore e di circa 17-18 µm per un rame di 70 µm di spessore. Quando si effettua il calcolo con SI9000, è sufficiente un valore di spessore della maschera di saldatura di 0.5 OZ.

Sezione trasversale del conduttore A causa del processo di incisione, la sezione trasversale dei conduttori non è rettangolare, bensì trapezoidale. Ad esempio, nello strato TOP, quando lo spessore della lamina di rame è di 1 OZ, la base superiore del trapezio è circa 1 MIL più corta della base inferiore. Pertanto, se la larghezza della linea progettata è W=5 MIL, la larghezza superiore sarà approssimativamente di 4 MIL e quella inferiore di 5 MIL. La differenza tra le basi superiore e inferiore è correlata allo spessore del rame, come mostrato nella tabella seguente in diverse condizioni:

Calcoli di impedenza I calcoli di impedenza tipici utilizzano i seguenti modelli:

• Modello linea microstrip
• Modello stripline

Nel modello a microstriscia esistono altre configurazioni, compreso un modello inutilizzato senza rivestimento. Le costanti dielettriche Er1 ed Er2 nel modello illustrato dipendono dallo specifico modello di preimpregnato utilizzato; i modelli chiave sono elencati in precedenza e i parametri dettagliati devono essere ottenuti direttamente dal produttore del PCB.

Quando il progetto passa dalla fase di ricerca a quella di richiesta di offerta (RFQ), è necessario rivedere la selezione del laminato per PCB e l'assemblaggio BGA a passo fine, in modo che i requisiti relativi a materiali, processi e ispezioni rimangano allineati.

Nel complesso, comprendere la complessa struttura e i materiali di un circuito stampato (PCB) è fondamentale per la progettazione e la produzione di dispositivi elettronici di alta qualità. I ​​materiali preimpregnati e i materiali di base svolgono un ruolo essenziale nel legare gli strati e nel fornire isolamento, mentre le lamine di rame e le maschere di saldatura contribuiscono alla conduttività e alla protezione del PCB.

Le differenze nei parametri e nei materiali dei PCB tra i produttori evidenziano l'importanza della comunicazione e dell'ottenimento di dati specifici per ciascun progetto. I diagrammi stack-up fungono da strumenti inestimabili, fornendo un modello della costruzione e delle proprietà elettriche del PCB.

Comprendendo gli elementi chiave dei diagrammi di stack-up, i progettisti possono garantire l'integrità e l'affidabilità dei loro progetti PCB, portando in definitiva a dispositivi elettronici con prestazioni migliori e più robusti.