Nel processo di progettazione PCB, la selezione del materiale PCB dipende principalmente dai seguenti elementi: costo, prestazioni elettriche, lavorabilità, capacità di resistenza al calore, certificazione UL, ecc.
Il prezzo del materiale influisce sull’intero costo dei PCB; le prestazioni elettriche del materiale sono direttamente correlate all’integrità del segnale; la lavorabilità e la capacità del materiale di resistere al calore determinano l’affidabilità dei PCB; la compatibilità UL del materiale è il requisito per la richiesta della certificazione UL. Tra tutti questi elementi da considerare, la lavorabilità, la capacità di resistere al calore e la certificazione UL dovrebbero essere prese in considerazione nel processo di progettazione dei PCB per prodotti in tutti i settori.
Per i PCB nelle reti di comunicazione, tuttavia, sono necessari materiali PCB di diversi livelli a causa delle esigenze a vari livelli, dall’alta velocità alla bassa velocità. Le prestazioni elettriche e il costo del materiale di solito si influenzano a vicenda, così che i materiali di classe superiore presentano generalmente eccellenti prestazioni elettriche ma anche costi elevati. Inoltre, si verificano differenze di prezzo tra materiali della stessa classe a causa dei diversi tipi di materiali.
Come decidere un tipo di materiale in grado sia di soddisfare i requisiti in termini di prestazioni elettriche del PCB sia di tenere in considerazione il controllo dei costi dipende da una valutazione accurata e dall’identificazione del Dk/Df, che rappresenta i parametri di prestazione elettrica, dall’abbinamento di un foglio di rame a bassa rugosità per garantire le prestazioni elettriche e dalla comprensione delle differenze di costo tra tutti i tipi di materiali.
Pertanto, in questo articolo vengono analizzati due aspetti, le prestazioni elettriche e i costi, in termini di selezione dei materiali per PCB.
• Identificazione e confronto tra materiali PCB in termini di prestazioni elettriche (Dk/Df)
Per fare in modo che il materiale selezionato soddisfi i requisiti di integrità del segnale, il primo compito consiste nel valutare e confrontare i materiali PCB in termini di prestazioni elettriche (Dk/Df).
a. Approcci di confronto e criteri di valutazione delle prestazioni elettriche tra materiali
Il confronto delle prestazioni elettriche tra materiali provenienti da fornitori diversi deve essere effettuato con lo stesso metodo di prova e nelle stesse condizioni, al fine di fornire un riferimento sufficientemente obiettivo.
Anche se i valori di Dk/Df del prepreg e del core corrispondenti sono forniti nelle specifiche offerte dai fornitori, non è accettabile né scientifico fare direttamente riferimento ai dati di specifica. Il vero confronto delle prestazioni elettriche tra materiali PCB dovrebbe basarsi su dati sperimentali, poiché il metodo e le condizioni di prova variano da un fornitore all’altro. Anche se viene applicato lo stesso metodo di prova, è comunque possibile che si verifichino differenze a causa di operazioni diverse.
Lo standard di valutazione delle prestazioni elettriche dei materiali PCB è costituito dai valori di Dk e Df e dalla loro stabilità a ciascuna frequenza. Un basso Dk/Df ridurrà la perdita di inserzione e va notato che, nei progetti a velocità sempre più elevata, il Df è un parametro più importante del Dk. La stabilità si riferisce al fatto che Dk/Df non dovrebbe cambiare in modo evidente con l’aumento della frequenza di test, cosa che non è favorevole all’integrità del segnale. La seguente formula indica la relazione tra Dk/Df e la perdita di inserzione:
b. Campioni di confronto tra materiali basati sui risultati di test pratici
1). Accumulo di dati di test di esempio
I materiali di Classe 0 e Classe 1 mostrano prestazioni elettriche migliori e vengono utilizzati solo nei PCB super ad alta velocità. La Tabella 1 mostra il confronto dei risultati tra 8 materiali delle due classi dopo il test di Dk/Df.
2). Confronto su Dk
In base alla Tabella 1, se il confronto viene effettuato secondo i dati delle specifiche, la sequenza di Dk dovrebbe essere 6＞3＞5＞7＞8＞4＞2=1 in accordo con la sua influenza.
Tuttavia, nelle stesse condizioni, la sequenza di Dk dovrebbe essere 6>5>8>3>7>4>2>1 in base alla sua influenza, il che è un risultato ragionevole. Inoltre, si può concludere che, con l’aumento della frequenza di prova, il Dk di solito varia di conseguenza. Sulla base dei risultati del test, il Dk di ciascun materiale mostra un’eccellente stabilità a 10 GHz e 15 GHz, con una variazione entro 0,03.
3). Confronto su Df
In base alla Tabella 1, se il confronto viene effettuato secondo i dati delle specifiche, la sequenza di Df dovrebbe essere 6>5>7>8>3>2=1>4 in base alla sua influenza.
Tuttavia, nelle stesse condizioni, la sequenza di Df dovrebbe essere 5>8>3>6>4>7>2>1 in base alla sua influenza, il che è un risultato ragionevole. Inoltre, si può concludere che con l’aumento della frequenza di prova, il Df di solito aumenta anch’esso. Sulla base dei risultati dei test, il Df di ciascun materiale manifesta un’eccellente stabilità a 10 GHz e 15 GHz, con una variazione entro 0,0005.
4). Confronto e valutazione delle prestazioni elettriche dei materiali
Secondo la Parte a di questa sezione, il materiale n. 5 presenta le migliori prestazioni elettriche poiché ha il miglior Df e un Dk relativamente eccellente. Subito dopo viene il n. 8, poiché è immediatamente successivo al n. 5 in termini di Dk e Df. Poi viene il n. 3. Sebbene il n. 6 presenti il miglior Dk, il Df è solo al quarto posto. Successivamente vengono i n. 4 e 7. Le prestazioni elettriche sono le peggiori per il materiale n. 1. In conclusione, la sequenza delle prestazioni elettriche dovrebbe essere 5>8>3>6>4>7>2>1.
• Applicazione di lamina di rame a bassa rugosità
La formula seguente indica la relazione tra la rugosità del foglio di rame, l’effetto pelle e la perdita del conduttore.
In questa formula,acond,ruvidosi riferisce alla perdita di inserzione dei conduttori;RRMSsi riferisce alla rugosità del foglio di rame;δsi riferisce all'effetto pelle;fsi riferisce alla frequenza;μeσfare riferimento alla conducibilità e alla permeabilità del materiale.
Sulla base di questa formula, si può concludere che l’aumento della rugosità del foglio di rame porterà a un aumento della perdita del conduttore. La rugosità del normale foglio di rame è solitamente superiore a 6 μm. Grazie ai requisiti di trasmissione dei segnali ad alta velocità, sono stati sviluppati e applicati il foglio trattato al rovescio (RTF) e il foglio di rame VLP, con una rugosità del foglio di rame di circa 3 μm. Requisiti più elevati per i segnali ad alta velocità promuovono una rugosità da 1 μm a 2 μm, caratteristica del foglio di rame HVLP o simile.
Nel processo di selezione dei materiali per PCB, si configura un foglio di rame a bassa rugosità per ridurre la perdita di inserzione e migliorare le prestazioni elettriche del materiale. Sulla base dell’esperimento, si può riassumere che a partire dal materiale n. 4 si dovrebbero scegliere fogli di rame RTF o VLP, che possono essere aggiornati a fogli di rame HVLP o simili, in modo da aumentare le prestazioni elettriche del materiale e ridurre la perdita di inserzione del conduttore. La differenza di perdita di inserzione risultante dalla differenza di rugosità del foglio di rame diventa sempre più evidente con l’aumento della frequenza. La configurazione di un foglio di rame a bassa rugosità è in grado di ridurre la perdita di inserzione in condizioni di alta frequenza.
• Compatibilità del materiale PCB con la simulazione dell’integrità del segnale, la verifica dei test e la relativa determinazione
a. Simulazione dell'integrità del segnale per verificare la compatibilità delle prestazioni elettriche del materiale PCB
La simulazione dell’integrità del segnale è in grado di prevedere le prestazioni del sistema e di valutare la compatibilità delle prestazioni elettriche dei materiali. La simulazione si presenta in due forme: pre-simulazione e post-simulazione.
La pre-simulazione, chiamata anche simulazione schematica, si riferisce alla simulazione prima della progettazione. L’obiettivo della pre-simulazione consiste nel comprendere l’impedenza caratteristica delle linee di trasmissione, l’effetto di capacità dei fori passanti e l’influenza della spaziatura tra le linee sui segnali di trasmissione, il che sarà utile per la progettazione del routing PCB. In questa fase, si prendono in considerazione anche i valori di Dk/Df del materiale PCB, solo come valutazione iniziale.
La post-simulazione si riferisce al controllo di correttezza dopo la progettazione dello stackup e del routing, prima della fabbricazione del PCB. Viene eseguita sulla base dei parametri finali di progetto e comprende la simulazione della qualità di trasmissione e la simulazione del crosstalk. Con l’aggiunta del diagramma di flusso della post-simulazione nel processo di progettazione del PCB, in base ai risultati della post-simulazione è possibile determinare se le prestazioni elettriche del materiale PCB utilizzato in precedenza siano adatte o meno.
b. Compatibilità dei materiali determinata dal test di integrità del segnale
Il test di integrità del segnale viene eseguito sull’intero sistema ed è la verifica delle prestazioni del prodotto. Un materiale a bassa perdita o con basso Dk/Df è un elemento importante da considerare nel processo di progettazione PCB per reti di comunicazione. Nel design ad alta velocità, il Dk/Df del materiale PCB contribuisce in modo significativo alla perdita dielettrica, poiché il Df del materiale PCB è positivamente correlato con la perdita dielettrica e anche il Dk contribuisce in una certa misura, influenzando così la perdita dell’intero sistema. L’ottimizzazione del progetto basata sul Dk del materiale influenzerà la continuità dell’impedenza, che avrà un impatto diretto sul return loss e sul crosstalk.
Poiché le prestazioni elettriche del materiale PCB influenzano notevolmente il sistema delle apparecchiature ad alta velocità, l’esecuzione di test di integrità del segnale di sistema, inclusi la qualità del segnale di rete, il collasso delle tracce e le interferenze elettromagnetiche, è in grado di contribuire a verificare la compatibilità del precedente materiale PCB. I metodi di prova comprendono l’analizzatore di impedenza, l’analizzatore di rete vettoriale e il riflettometro nel dominio del tempo.
• Variazione del costo del PCB risultante dalle differenze tra i materiali del PCB
Per selezionare materiali a basso costo tra più tipi di materiali, è necessario comprendere pienamente la variazione del costo del PCB derivante dalle differenze tra i materiali del PCB.
Poiché ogni tipo di materiale ha il proprio laminato base e il proprio prepreg, se il confronto dei prezzi viene effettuato solo su un tipo di laminato base e prepreg o su un numero limitato di tipi, si genereranno deviazioni nel processo di confronto dei costi tra i materiali, il che porterà a una scelta fuorviante dei materiali PCB. Pertanto, il confronto dei prezzi deve essere effettuato su tutti i laminati base e prepreg ordinari, calcolandone il valore medio, in modo che la differenza di prezzo dei PCB risulti chiara.
Vale la pena notare che il prezzo del PCB è influenzato anche da altri parametri di progettazione. Questo articolo si concentra solo sulla riduzione dei costi del PCB derivante dalla differenza di materiale del PCB.
a. Differenza di costo del PCB causata da materiali PCB con diversi livelli di prestazioni elettriche
Attraverso la simulazione, si può concludere che l’applicazione del materiale con livello basso comporta un risparmio sui costi più significativo rispetto a quella del materiale con livello alto.
b. Differenze di costo del PCB causate dalla selezione ottimale dei materiali nella stessa classe
Anche all'interno della stessa categoria, si verificano differenze di prezzo tra questi materiali. A parità di prestazioni elettriche compatibili, è opportuno applicare per primi i materiali con vantaggi di prezzo, in modo da poter ridurre i costi. Con PCBCart, puoi usufruire diCalcolatore PCBin cui è possibile selezionare diversi tipi di materiale in base alle esigenze del tuo progetto. Naturalmente, diverse scelte di materiale portano a preventivi differenti.
• Simulazione dell'integrità del segnale evitando la selezione del materiale PCB durante la progettazione
Nel processo di progettazione PCB, se in prodotti per i quali l’integrità del segnale può essere pienamente garantita da materiali di classe inferiore si utilizzano materiali di classe superiore, si produrrà uno spreco di costi del PCB, fenomeno definito sovraprogettazione nella selezione dei materiali PCB.
Attraverso la simulazione dell’integrità del numero di tipologia, è possibile evitare il problema del sovradimensionamento, in modo da poter scegliere un materiale PCB con una classe adeguata, favorendo il risparmio sui costi tramite l’abbassamento della classe del materiale.
• Applicazione di un design speciale per migliorare la perdita di inserzione e la qualità di trasmissione del segnale, al fine di aumentare la possibilità di utilizzare materiale di classe bassa
a. Progettazione di backdrill e via ciechi
Backdrill ecieco per progettazioneè in grado di ridurre ed eliminare l’influenza sulla trasmissione del segnale causata dalla metallizzazione dei fori passanti, poiché i fori passanti metallizzati possono essere considerati come un circuito in grado di migliorare la qualità della trasmissione del segnale.
b. Finitura superficiale
Sulla base di alcune ricerche suFinitura superficiale PCB, si può verificare che per i PCB ad alta velocità l’applicazione di un rivestimento superficiale senza nichel è utile per ridurre la perdita di inserzione, in modo da poter aumentare la possibilità di utilizzare materiali con classe di applicazione inferiore. Sia l’OSP che l’argento a immersione possono essere applicati come finitura superficiale per PCB ad alta velocità. Inoltre, i PCB con OSP offrono maggiori vantaggi grazie al loro basso costo.
c. Applicazione di uno stack ibrido con materiali di classe alta e di classe bassa per ridurre la classe del materiale
Poiché alcune tracce di segnale chiave sono distribuite solo su alcuni strati nei PCB ad alta velocità, è possibile utilizzare materiali di bassa classe o anche materiali ordinari sul circuito stampato centrale privo di linee di segnale ad alta velocità, il che consente di ridurre notevolmente i costi.
Nei dispositivi di rete per le comunicazioni, mantenere elevate prestazioni elettriche con una selezione dei materiali per PCB economicamente conveniente è fondamentale. I progettisti devono studiare parametri come Dk/Df e la rugosità della superficie del foglio di rame in modo da ottenere le massime prestazioni entro i vincoli di budget. Con una scelta intelligente dei materiali, diventa possibile migliorare la funzionalità e la convenienza economica dei dispositivi ad alta velocità.
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