Il materiale perfetto per ogni tipo di circuito stampato

La scelta del materiale nell'ambito della progettazione elettronica PCB è senza dubbio un fattore chiave per la performance del sistema. Oggigiorno i sistemi elettronici richiedono elevate prestazioni, a cominciare dai circuiti digitali high speed, fino ad arrivare agli amplificatori di potenza RF e moduli high power LED, in tutti questi campi la scelta del materiale è decisamente un serio obiettivo del progettista per ridurre i problemi legati alla dissipazione di calore ed interferenze elettromagnetiche. I materiali PCB spaziano dall'Arlon AD255C e FR4 Atra MT77 per applicazioni a radio frequenza, passando per quelli Thermal flex Brand Aismalibar e Eastpower per le applicazioni lighting LED. Le soluzioni che andremo ad analizzare offrono una serie di requisiti per fornire una completa idoneità al circuito e soddisfare ogni esigenza di applicazione in ambito RF e lighting.

Introduzione

La scelta di un buon materiale per un circuito stampato sia per applicazioni a radiofrequenza sia nel campo lighting, è generalmente un compromesso tra costo e prestazioni. Molti parametri entrano in gioco per la valutazione e scelta di un materiale, in particolare: integrità del segnale, immunità al rumore, dissipazione di calore. La costante dielettrica è un punto di partenza per molti processi di selezione relativamente ai materiali PCB, così come il coefficiente di espansione termica (CTE) e il fattore di dissipazione (Df). Una buona integrità del segnale permette di valutare anche una serie di fattori quali EMC, requisiti di compatibilità elettromagnetica, e EMI, requisiti di interferenze elettromagnetiche.  La scelta dei materiali garantisce una perfetta soluzione per limitare il rumore di diafonia e nello stesso tempo le perdite che possono compromettere il funzionamento del sistema.

Applicazioni RF

Le applicazioni RF sono caratterizzate da materiali che constano di due fattori chiave: basse perdite dielettriche e bassa dispersione, quindi la costante dielettrica deve essere necessariamente uniforme in un ampio range di frequenza e sufficientemente bassa. AD255C di Arlon è un materiale designato per la progettazione RF con bassa dielettricità, basso costo ed eccellenti caratteristiche di basse perdite (Figura 1).

Figura 1: Materiale Teflon (a) e i relativi campi di applicazione nel settore avionico (b) e computing (c)

AD255C è costruito con una combinazione di materiali a resina fluoropolimero con ceramici selezionati e rinforzo in fibra di vetro per produrre un materiale laminato con Df = 0,0014 a 10 GHz e valori di CTE inferiori alle versioni precedenti, rappresentando di fatto la soluzione migliore rispetto al AD255A di Arlon (Figura 2 e 3).

Figura 1: costante dielettrica in funzione della frequenza per materiali

Figura 2: Costante dielettrica in funzione della frequenza per materiali AD255C. Questa proprietà dimostra la robustezza del materiale in tutto lo spettro EM.

fig5

Figura 3: Fattore di dissipazione in funzione della frequenza per materiali AD255C. Questa caratteristica dimostra la robustezza del materiale in applicazioni ad alta frequenza dove è richiesta una buona integrità del segnale.

AD255C è compatibile con il processo di fabbricazione per substrati PTFE standard. La sua bassa espansione termica migliora le prestazioni dei fori plated through-hole (PTH) rispetto ad un PTFE standard, incrementando a sua volta l'affidabilità del processo di saldatura BGA. I principali benefici possono essere riassunti nei seguenti due punti:

  • Basse perdite di inserzione
  • Basso PIM (Passive Intermodulation) per applicazioni di antenna

IS400 è un materiale con elevata resistenza alle alte temperature. Consiste di una resina epossidica con una temperatura di transizione vetrosa nominale (glass transition temperature) di circa 150 °C, un delamination time a 26o °C di circa 60 minuti e un coefficiente di espansione termica (CTE) di 40 ppm / K fino 150 °C.  I materiali laminati Astra MT77 presentano proprietà elettriche molto stabili in un ampio range di frequenza e temperatura. Infatti, Astra MT77 è  dotato di una costante dielettrica Dk=3 che è stabile tra -55 °C e + 125 °C fino a 20 GHz. Inoltre, Astra MT77 offre un fattore di dissipazione (Df) di 0,0017, dimostrandosi a tutti gli effetti una valida alternativa economica per PTFE e altri materiali laminati commerciali. Le principali applicazioni includono radar per automobili e controllo adattativo di crociera (Figura 4). I materiali PTFE hanno una conducibilità termica intorno a 0,20-0,25 W / m * K, aggiungendo materiali ceramici come riempitivo, la conducibilità migliora decisamente per essere un buon punto fermo nei problemi di gestione termica nell'ambito dei design RF.

Figura 2: Variazione del Db in funzione della temperatura per un vasto range di materiali

Figura 4: Variazione dell'attenuazione db/inch in funzione della temperatura per un vasto range di materiali

I materiali I-Tera MT sono adatti per progetti high speed digitali e circuiti a microonde. La stabilità della costante dielettrica riesce ad arrivare a temperature fino a 125 °C a 20 GHz con un fattore minimo di dissipazione di 0,0035. I materiali laminati I-Tera  sono offerti in varie dimensioni e spessori di valori standard, particolarmente indicati per progetti di circuiti stampati multistrato e a doppia faccia. I materiali idrocarburi RO4000 in ceramica offrono elevate prestazioni  ad alta frequenza con un basso costo di fabbricazione. La selezione di questi materiali è particolarmente indicata per frequenze superiori ai 500 MHz, infatti possiedono proprietà necessarie per i progettisti di circuiti RF e reti di trasmissione ad impedenza controllata. La bassa perdita dielettrica può rendere il materiale adatto in quelle applicazioni dove si limitano l'uso di laminati convenzionali. Il coefficiente di espansione del materiale RO4000 è simile a quello del rame, che permette di esporre una eccellente stabilità dimensionale, necessaria per costruzioni di dielettrici misti multistrato. Il materiale della serie RO4000 è offerto in varie configurazioni (1080/1674 glass fabric styles) conforme alle normative  IPC- 4103 (Figura 5 e 6).

Figura 3: Costante dielettrica vs Temperatura per la serie di Materiali RO

Figura 5: Costante dielettrica vs Temperatura per la serie di Materiali RO4000

 

Figura 5: Principali valori del

Figura 6: Principali caratteristiche dei materiali RO4000

I materiali impiegati nella costruzione del PCB hanno generalmente bassi valori di umidità, dell'ordine del 1%. Per applicazioni RF sono molto al di sotto di questo valore, di solito i valori accettabili sono inferiori a circa 0,25%.

Applicazioni lighting

La tecnologia LED è una sorgente luminosa altamente efficiente, tuttavia, la perdita termica è un problema di design che deve essere tenuto in considerazione per garantire un corretto funzionamento sfruttando le condizioni possibili ottimali di dissipazione. La potenza termica per unità di superficie è in continuo aumento per i progressi nel campo della miniaturizzazione, quindi sempre più calore deve essere gestito su una superficie di piccole dimensioni. La gestione della potenza e quindi del corrispondente materiale è una scelta di notevole importanza per ottimizzare le performance del sistema. Le soluzioni CCL Eastpower EPA-M0/1/2/3 a base di alluminio rispettano le direttive RoHS, offrendo una perfetta combinazione di alluminio-rame con una alta conducibilità per aumentare la vita media dei prodotti elettronici. Un buon adattamento meccanico e schermatura elettromagnetica ne completano le ottime caratteristiche. I principali parametri con i rispettivi valori per la versione EPA-M1 sono elencati di seguito:

  • Conducibilità termica:1.6W/m*K
  • Tensione di Break-down: 3.5KV AC
  • Strees termico: 288℃ ≥120S

I valori si discostano leggermente nelle altre versioni. Per esempio, la conducibilità termica passa da 1.3 W/m*K per la EPA-M0, a 3 W/m*K per la EPA-M3. I modelli M0 e M1 sono adatti per applicazioni standard con una costante di dissipazione di circa 1-1.6 W/m*K, a differenza della serie EPA-M3 che è consigliata per applicazioni con conducibilità termica di 3.2-5 W/m*K. Ismalibar Flextherm è un substrato metallico ad elevato isolamento destinato per la produzione di circuiti stampati nel settore del lighting high power. La bassa resistenza termica lo rende adatto per elementi riscaldanti vicini tra loro. Le dimensioni del materiale sono disponibili da 0,5 mm (0,019 ")  a 1,5 mm (0,059"). Gli strati dielettrici sono costituiti da resine poliammidiche offrendo resistenza di break down fino a 3000 V (Figura 7). Le principali applicazioni di questo tipo di materiale spaziano dai moduli power supply per high power led, fino all'automazione industriale.

Figura 4: Materiali

Figura 7: Materiali Ismalibar Flextherm

Alcune specifiche tecniche sono riassunte di seguito:

  • Eccellente per applicazioni ad alta temperatura.
  • Senza alogeni.
  • Elevati valori di MOT (Maximum Operating Temperature).

Considerazioni e conclusioni

La scelta del materiale PCB è decisamente un obiettivo principale per tutti i progettisti di sistemi elettronici. Il mercato offre una serie di materiali, ciascuno con caratteristiche opportune. La Esseti Circuit Stampati mette a disposizione soluzioni tecniche all'avanguardia con un'ampia scelta di materiali, opportunamente corredati da data sheet consultabili via Web, e offrendo pieno sostegno al cliente (365 giorni all'anno) con la possibilità di fornire campionature per test e stress termici (Figura 8 e 9).

Figura 8: Esempio di PCB RF

 

Figura 9: Esempi di PCB per applicazioni lighting LED high power

Oggigiorno un buon PCB è legato a vari fattori, la scelta del materiale gioca il suo ruolo in termini di dissipazione ed isolamento circuitale delle piste, con vari parametri da tener in considerazione come la costante dielettrica e conducibilità termica, i cui valori possono cambiare a seconda dell'applicazioni di interesse: radiofrequenza, lighting, digitale.

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 8 giugno 2016

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