•Requisito sul foglio di rame
Tutte le schede PCB si stanno sviluppando verso una maggiore densità e linee più fini, in particolare le PCB HDI (High Density Interconnect PCB). Dieci anni fa, una PCB HDI veniva definita dall’IPC come una PCB il cui valore di larghezza della traccia (L) e spaziatura tra le tracce (S) era pari o inferiore a 0,1 mm. Attualmente, tuttavia, il valore standard di L e S nell’industria elettronica può essere ridotto fino a 60 μm e, in condizioni avanzate, può arrivare fino a 40 μm.
Il metodo tradizionale di formazione del pattern del circuito si basa sul processo di imaging e incisione, a seguito del quale il valore minimo di L e S raggiunge 30 μm con l’applicazione di un substrato in lamina di rame sottile (spessore compreso tra 9 μm e 12 μm).
Poiché il CCL (copper clad laminate) in lamina di rame sottile presenta costi elevati e una laminazione con molti difetti, molti produttori di PCB tendono invece a utilizzare il metodo di sottrazione tramite incisione del rame, con uno spessore della lamina di rame impostato a 18 μm. Questo metodo in realtà non è consigliato perché prevede troppe fasi, con difficoltà nel controllo dello spessore, e comporta costi più elevati. Di conseguenza, la lamina di rame sottile è preferibile. Inoltre, la lamina di rame standard non funziona quando il valore di L e S della scheda è inferiore a 20 μm. Infine, si consiglia l’uso di lamina di rame ultra-sottile, poiché il suo spessore di rame è regolato in un intervallo compreso tra 3 μm e 5 μm.
Oltre allo spessore del foglio di rame, i circuiti fini attuali richiedono anche una bassa rugosità della superficie del foglio di rame. Per migliorare la capacità di adesione tra il foglio di rame e il materiale del substrato e per garantire la resistenza al distacco dei conduttori, viene eseguito un trattamento di irruvidimento sulla superficie del foglio di rame e la rugosità ordinaria del foglio di rame è superiore a 5 μm.
L’incorporazione di rilievi sulla lamina di rame nel materiale del substrato mira ad aumentarne la resistenza al distacco. Tuttavia, per controllare con elevata precisione la larghezza delle piste ed evitare un eccessivo attacco durante l’incisione del circuito, tende a generarsi contaminazione dei rilievi, il che può causare cortocircuiti tra le linee o riduzione della capacità d’isolamento, influenzando in particolare i circuiti fini. Pertanto, è richiesta una lamina di rame a bassa rugosità (inferiore a 3 μm o addirittura a 1,5 μm).
Nonostante la riduzione della rugosità del foglio di rame, è comunque necessario mantenere la resistenza al distacco dei conduttori, il che richiede una speciale finitura superficiale sulla superficie del foglio di rame e del materiale del substrato che aiuti a garantire la resistenza al distacco dei conduttori.
•Requisito sui laminati dielettrici isolanti
Una delle principali caratteristiche tecnologiche dei PCB HDI risiede nel processo di costruzione a strati (Building Up Process). L’RCC (Resin Coated Copper), che viene normalmente applicato oppure il preimpregnato in tessuto di vetro epossidico e la laminazione con foglio di rame, raramente riescono a produrre circuiti fini. Attualmente si tende ad applicare SAP e MSPA, il che significa l’uso della laminazione di un film dielettrico isolante con placcatura chimica del rame per generare il piano conduttivo in rame. È possibile ottenere circuiti fini grazie allo strato di rame sottile.
Uno dei punti chiave dell'SAP risiede nel materiale dielettrico di laminazione. Per soddisfare il requisito dei circuiti fini ad alta densità, devono essere introdotti alcuni requisiti per il materiale di laminazione, tra cui prestazioni dielettriche, isolamento, capacità di resistenza al calore e adesione, insieme a un adattamento tecnologico compatibile con l'HDI PCB.
Tra i package di semiconduttori a livello globale, il substrato per package IC è passato da substrato ceramico a substrato organico. Il passo del substrato per package FC sta diventando sempre più ridotto, tanto che l’attuale valore tipico di L e S è di 15 μm e diventerà ancora più piccolo.
Le prestazioni dei substrati multistrato dovrebbero enfatizzare una bassa costante dielettrica, un basso coefficiente di dilatazione termica (CTE) e un’elevata resistenza al calore, il che si riferisce a substrati orientati a bassi costi con requisiti prestazionali soddisfatti. Oggi, la tecnologia MSPA di laminazione dielettrica isolante accoppiata con un sottile foglio di rame è applicata nella produzione in grandi volumi di circuiti fini. La tecnologia SAP è utilizzata per realizzare il disegno del circuito in cui i valori di L e S sono entrambi inferiori a 10 μm.
L’elevata densità e sottigliezza dei PCB porta alla trasformazione degli HDI PCB dalla laminazione con core a qualsiasi strato senza core. Per gli HDI PCB con le stesse funzioni, l’area e lo spessore di quelli con interconnessione a qualsiasi strato si riducono del 25% rispetto a quelli con laminazione con core. In entrambi questi tipi di HDI PCB è necessario applicare uno strato dielettrico più sottile, con migliori prestazioni elettriche.
Requisito derivante dall’alta frequenza e dall’alta velocità
La tecnologia di comunicazione elettronica si è sviluppata dal cablato al wireless, da bassa frequenza e bassa velocità ad alta frequenza e alta velocità. Le prestazioni degli smartphone sono progredite dal 4G al 5G con un’esigenza crescente di velocità di trasmissione più elevata e di una maggiore quantità di dati trasmessi.
L’avvento dell’era globale del calcolo in cloud ha portato a un aumento multiplo del traffico di dati, con una tendenza evidente verso l’alta frequenza e l’alta velocità dei dispositivi di comunicazione. Per soddisfare i requisiti di trasmissione ad alta frequenza e alta velocità, oltre alla riduzione delle interferenze e del consumo del segnale, all’integrità del segnale e alla compatibilità di produzione con i requisiti di progettazione in termini di progettazione PCB, il materiale ad alte prestazioni rappresenta l’elemento più essenziale.
Il compito principale degli ingegneri riguarda gli attributi di perdita del segnale elettrico per migliorare la velocità del PCB e affrontare i problemi di integrità del segnale. Sulla base dei servizi di produzione di PCBCart che superano i vent’anni, come fattore chiave che influenza la selezione del materiale del substrato, quando la costante dielettrica (Dk) è inferiore a 4 e la perdita dielettrica (Df) è inferiore a 0,010, si considera un laminato con Dk/Df medio e quando la Dk è inferiore a 3,7 e la Df inferiore a 0,005, si considera un laminato con Dk/Df basso. Attualmente, sul mercato è possibile scegliere tra molteplici tipi di materiali per substrati.
Finora, i materiali di substrato comunemente utilizzati per circuiti stampati ad alta frequenza sono principalmente di tre tipi: resina della serie al fluoro, resina PPO o PPE e resina epossidica modificata. Il substrato dielettrico della serie al fluoro, ad esempio il PTFE, che presenta le migliori prestazioni dielettriche (più basse costanti dielettriche), è solitamente impiegato per prodotti con frequenza pari o superiore a 5 GHz. Il substrato in epossidica modificata FR-4 o PPO è invece utilizzato per prodotti con frequenze comprese tra 1 GHz e 10 GHz.
Confrontando i tre tipi di materiali di substrato ad alta frequenza, la resina epossidica presenta il prezzo più basso, mentre la resina della serie al fluoro il più alto. In termini di costante dielettrica, perdita dielettrica, assorbimento d’acqua e caratteristiche in frequenza, la resina della serie al fluoro si comporta al meglio, mentre la resina epossidica peggio. Quando la frequenza applicata dai prodotti è superiore a 10 GHz, funziona solo la resina della serie al fluoro. Gli svantaggi del PTFE includono l’elevato costo, la scarsa rigidità e l’alto coefficiente di dilatazione termica.
Per il PTFE, sostanze inorganiche massicce (come il biossido di silicio) possono essere utilizzate come materiale di riempimento o tessuto di vetro per aumentare la rigidità del materiale del substrato e ridurre il coefficiente di espansione termica. Inoltre, poiché la molecola di polyflon è difficile da combinare con il foglio di rame a causa dell’inerzia della molecola di polyflon, è necessario applicare uno speciale trattamento superficiale compatibile con il foglio di rame. Il metodo di trattamento consiste o nell’incisione chimica sulla superficie del polyflon per aumentare la rugosità superficiale, oppure nell’aggiunta di un film adesivo per incrementare la capacità di adesione. Con l’applicazione di questo metodo, le prestazioni dielettriche potrebbero essere influenzate e occorre un ulteriore sviluppo per l’intera serie di circuiti ad alta frequenza al fluoruro.
Resina isolante unica composta da resina epossidica modificata o PPE e TMA, MDI e BMI, accoppiata con tessuto di vetro, viene applicata più frequentemente. Simile al CCL FR-4, presenta anche un’eccellente resistenza al calore e proprietà dielettriche, elevata resistenza meccanica, insieme a una buona lavorabilità per PCB, il che la rende più diffusa rispetto ai substrati a base di PTFE.
Oltre ai requisiti sulle prestazioni dei materiali isolanti come la resina menzionata sopra, la rugosità superficiale del rame come conduttore è anche un elemento importante che influisce sulla perdita di trasmissione del segnale, che è il risultato dell’effetto pelle (Skin Effect). In termini semplici, l’effetto pelle è il fenomeno per cui l’induzione elettromagnetica generata nei conduttori durante la trasmissione di segnali ad alta frequenza e l’induttanza si concentrano così tanto al centro della sezione del conduttore da spingere la corrente o il segnale a concentrarsi sulla superficie del conduttore. La rugosità superficiale dei conduttori svolge un ruolo chiave nell’influenzare la perdita del segnale di trasmissione e una bassa rugosità comporta una perdita ridotta.
Alla stessa frequenza, un’elevata rugosità superficiale del rame comporta un’elevata perdita di segnale. Pertanto, la rugosità del rame superficiale deve essere controllata nella produzione pratica e deve essere il più bassa possibile nelle condizioni in cui l’adesione non venga influenzata. Occorre prestare molta attenzione ai segnali nella categoria dei 10 GHz o superiori. Si richiede che la rugosità del foglio di rame sia inferiore a 1 μm ed è preferibile utilizzare un foglio di rame ultra-liscio con rugosità di 0,04 μm. La rugosità superficiale del foglio di rame deve essere abbinata a un adeguato trattamento di ossidazione e a un idoneo sistema di resina adesiva. Nel prossimo futuro, potrebbe essere disponibile un tipo di foglio di rame privo di contorno rivestito di resina, che presenti una maggiore resistenza al distacco senza che la perdita dielettrica venga influenzata.
Con la tendenza allo sviluppo verso la miniaturizzazione e l’alta funzionalità, i dispositivi elettronici tendono a generare una maggiore quantità di calore, per cui la gestione termica dei dispositivi elettronici richiede requisiti sempre più elevati. Una delle soluzioni a questo problema risiede nella ricerca e nello sviluppo di PCB a conduzione termica. La condizione primaria affinché un PCB presenti buone prestazioni in termini di resistenza e dissipazione del calore è la capacità di resistenza e dissipazione termica del substrato. I miglioramenti attuali in termini di capacità di conduzione termica dei PCB si basano su interventi tramite resine e aggiunta di riempitivi, ma ciò funziona solo entro una categoria limitata. Il metodo tipico consiste nell’applicare IMS o PCB con nucleo metallico che svolgono il ruolo di componente riscaldante. Rispetto ai tradizionali radiatori e ventole, questo metodo offre vantaggi quali volume ridotto e basso costo.
L'alluminio è un materiale molto attraente con i vantaggi di risorse abbondanti, basso costo ed eccellenti proprietà di conduzione del calore e resistenzaInoltre, è così ecologico che viene applicato alla maggior parte dei substrati metallici o dei core metallici. Grazie a vantaggi quali economicità, connessione elettrica affidabile, conducibilità termica e alta resistenza, assenza di saldatura e assenza di piombo, il circuito stampato a base di alluminio è stato impiegato nei beni di consumo, nelle automobili, nei prodotti militari e nei prodotti aerospaziali. Non vi è alcun dubbio sulla resistenza al calore e sulla capacità di dissipazione delle schede a base metallica e il punto chiave risiede nelle prestazioni di adesione tra la scheda metallica e il piano del circuito.
Nel moderno mondo dell’elettronica, la miniaturizzazione e l’assottigliamento dei dispositivi elettronici hanno portato alla necessaria comparsa di PCB rigidi e PCB flessibili/rigido‑flessibili. Quale tipo di materiale di substrato è quindi adatto a essi?
L’aumento dei campi di applicazione dei PCB rigidi e dei PCB flessibili/rigido-flessibili comporta nuovi requisiti in termini di quantità e prestazioni. Il film in poliimmide, ad esempio, può essere classificato in più categorie, tra cui trasparente, bianco, nero e giallo, con elevata resistenza al calore e basso coefficiente di espansione termica, in modo da poter essere applicato in diverse situazioni. Allo stesso modo, il substrato in mylar con elevata convenienza in termini di costo sarà anch’esso accettato dal mercato grazie ai suoi vantaggi, tra cui elevata elasticità, stabilità dimensionale, qualità della superficie del film, accoppiamento fotoelettrico e resistenza ambientale, così da soddisfare i mutevoli requisiti degli utenti.
Analogamente ai PCB rigidi HDI, il PCB flessibile deve adattarsi alle esigenze di trasmissione di segnali ad alta velocità e alta frequenza; occorre quindi prestare attenzione anche alla costante dielettrica e alla perdita dielettrica del materiale del substrato flessibile. Il circuito flessibile può essere composto da politetrafluoroetilene e da un substrato avanzato in poliimmide. Alla resina di poliimmide si possono aggiungere polvere inorganica e fibra di carbonio per ottenere la generazione di un substrato flessibile termoconduttivo a tre strati. Il materiale di riempimento inorganico può essere nitruro di alluminio, ossido di alluminio oppure nitruro di boro esagonale. Questo tipo di materiale di substrato presenta una conducibilità termica di 1,51 W/mK ed è in grado di resistere a una tensione di 2,5 kV e a una curvatura di 180 gradi.
I PCB flessibili sono principalmente applicati in telefoni cellulari intelligenti, dispositivi indossabili, apparecchiature medicali e robotica, il che richiede nuove esigenze per la struttura dei PCB flessibili. Finora sono stati sviluppati alcuni nuovi prodotti contenenti PCB flessibili, come i PCB flessibili multistrato ultrafini il cui spessore è stato ridotto da 0,4 mm a 0,2 mm. I PCB flessibili ad alta velocità di trasmissione possono raggiungere una velocità di trasmissione di 5 Gbps grazie all’applicazione di materiale di substrato in poliimmide con basso Dk e Df. I PCB flessibili per alta potenza utilizzano conduttori il cui spessore è superiore a 100 μm, in modo da soddisfare i requisiti dei circuiti ad alta potenza e grande corrente. Tutti questi PCB flessibili speciali richiedono naturalmente materiali di substrato non convenzionali.
Questo articolo parla di linee guida per la selezione del materiale del substrato per i tuoi circuiti stampati da una prospettiva scientifica e professionale. Quando si tratta di te che hai idee poco chiare riguardo a quei termini relativi agli attributi del materiale del substrato, come costante dielettrica (Dk), fattore di dissipazione (Df), rugosità superficiale, temperatura di decomposizione termica, CTE ecc., ecco un modo economico per decidere un materiale di substrato adeguato.
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