Ogni dispositivo elettronico, dal nostro smartphone ai sistemi di comunicazione satellitare, si affida ad un componente essenziale: il circuito stampato (PCB). Garantendo connettività e funzionalità, questo sottile strato di tecnologia è il cuore pulsante di qualsiasi sistema elettronico. La scelta del materiale del PCB non è solo una questione tecnica ma anche una decisione strategica che può fare la differenza tra il successo ed il fallimento di un progetto. Un materiale inadatto potrebbe compromettere l’integrità del segnale, ridurre la durata del dispositivo o aumentare i costi operativi. In questo articolo, andremo ad analizzare nel dettaglio le proprietà fondamentali dei materiali per PCB, analizzando le opzioni disponibili presso fornitori come PCBWay per aiutarci a raggiungere gli obiettivi dei nostri progetti.
Panoramica introduttiva
Nella fabbricazione dei circuiti stampati, soprattutto per applicazioni specifiche, particolare attenzione richiede la scelta del materiale utilizzato. Come ben sappiamo, il substrato del PCB rappresenta l’elemento principale del circuito stampato, fornendo sia il supporto meccanico che la garanzia di ottenere determinate proprietà elettriche fondamentali e cruciali per il corretto funzionamento del progetto. Attraverso la scelta oculata di un substrato si possono ottenere diversi vantaggi come la riduzione al minimo delle interferenze elettromagnetiche, l’ottimizzazione della dissipazione del calore e la garanzia in termini di integrità del segnale. In sistemi ad alte prestazioni, come quelli utilizzati nei radar o nelle telecomunicazioni, la scelta del substrato può fare la differenza tra il successo e il fallimento di un progetto.
Nel corso dei decenni, anche la fabbricazione dei PCB ha introdotto innumerevoli innovazioni in termini di materiali e tecnologie. I primi PCB erano realizzati con materiali come bachelite e fenolo, che offrivano buone proprietà meccaniche ma prestazioni elettriche limitate. Negli anni '60, con l'introduzione del vetro epossidico, si sono fatte strada nuove soluzioni come l'FR-4, che rapidamente è diventato lo standard industriale per la stragrande maggioranza dei PCB. Tuttavia, nell’epoca moderna, invece, sono stati introdotti materiali avanzati, come Rogers e PTFE, in grado di soddisfare le esigenze di applicazioni a frequenza ultraelevata (superiori al GHz) dovuta all’introduzione di circuiti e processori sempre più performanti.
Ogni bravo progettista sa che la selezione del materiale per circuiti stampati (PCB) rappresenta una delle decisioni più critiche nella progettazione elettronica. La scelta del substrato non influisce solo sulle prestazioni elettriche, ma anche sulla durata, sull'affidabilità e sui costi di produzione del circuito. Materiali come FR-4, Rogers e PTFE offrono un ampio spettro di proprietà, ognuno con specifici vantaggi e limiti. Affidarsi a produttori esperti del settore, come PCBWay, consente di scegliere opportunamente anche i materiali del PCB con una vasta gamma di opzioni e con il supporto tecnico di alta qualità grazie alla loro esperienza pluriennale. In questo articolo, ci proponiamo di fornire una guida definitiva, esaminando i principali materiali disponibili, le loro caratteristiche elettriche, termiche e meccaniche, e come questi fattori possano influire sulle diverse applicazioni.
Le proprietà fondamentali dei materiali per PCB
Per poter scegliere opportunamente il materiale da utilizzare per i propri progetti è necessario capire quali sono gli elementi fondamentali della scelta, questi elementi si basano principalmente sulle caratteristiche stesse dei materiali (vedi Figura 1) che influenzano le prestazioni. In particolare, avremo le seguenti proprietà:
- Costante dielettrica - La costante dielettrica è “IL” parametro fondamentale in quanto influisce sulla velocità di propagazione del segnale all'interno del PCB, e quindi capiamo subito quanto è importante nei progetti che gestiscono segnali ad alta velocità. Un valore elevato della costante dielettrica è indicato per applicazioni in cui la miniaturizzazione è essenziale, mentre per le comunicazioni ad alta velocità si preferiscono materiali con valori più bassi della costante dielettrica.
- Perdita dielettrica - La perdita dielettrica (o tangente di perdita, spesso indicata come Df, dissipation factor) è una misura della quantità di energia che un materiale dielettrico dissipa sotto forma di calore quando è soggetto ad un campo elettrico alternato. In altre parole, rappresenta l’inefficienza del materiale nel trasmettere energia elettrica senza perdite. La perdita dielettrica è critica per applicazioni RF e microonde, poiché determina la quantità di segnale persa come calore.
I concetti di costante e perdita dielettrica sono relazionati tra loro. In particolare, abbiamo che la costante dielettrica indica quanto bene il materiale può immagazzinare energia elettrica, mentre la perdita dielettrica quanta parte dell'energia immagazzinata viene dissipata come calore. Dunque, un materiale con una costante dielettrica elevata può immagazzinare molta energia, ma se ha anche un alto fattore di perdita, una parte significativa di questa energia verrà dissipata, effetto che non si adatta bene ai circuiti ad alte prestazioni.
- Resistenza termica - Quando si lavora con circuiti di potenza, la resistenza termica del substrato diventa di primaria importanza per prevenire il surriscaldamento e migliorare l'affidabilità del sistema. Materiali come il metallo-core (MCPCB) ed i laminati ceramici offrono eccellenti proprietà di dissipazione del calore. Ad esempio, la gestione termica è particolarmente critica nei LED, dove una temperatura elevata può ridurre significativamente la durata del dispositivo.
- Stabilità meccanica e proprietà strutturali - La stabilità meccanica assicura che il PCB possa resistere ad urti, vibrazioni e carichi senza deformarsi. Questo è essenziale in ambienti industriali o automobilistici. Materiali come la poliammide, utilizzati nei PCB flessibili, garantiscono elevata resistenza meccanica mantenendo flessibilità.
- Resistenza all’umidità e all’invecchiamento - L'assorbimento di umidità può influire sulle prestazioni elettriche del PCB, aumentando la perdita dielettrica e riducendo l'affidabilità a lungo termine. I substrati avanzati offrono una migliore resistenza all’umidità, rendendoli ideali per applicazioni in ambienti umidi o soggetti a variazioni climatiche.
Figura 1: Proprietà fondamentali dei materiali per PCB
Materiali standard per PCB
Il materiale FR-4, come già accennato, è diventato universalmente utilizzato nell’industria elettronica grazie alle sue proprietà di versatilità, economicità e disponibilità sul mercato. Infatti, offre un buon compromesso tra prestazioni termiche ed elettriche, rendendolo ideale per applicazioni generiche. Tuttavia, questa tipologia di materiale non è consigliata in progetti che utilizzano circuiti con frequenze superiori al GHz o in ambienti con elevate temperature operative. Quando si parla di FR-4, tuttavia, bisogna indicare anche il coefficiente di Glass Transition Temperature (TG). Questa è la temperatura alla quale il materiale passa da uno stato rigido e vetroso ad uno più morbido e gommoso. Tale cambiamento non implica una fusione, ma una transizione che può influire significativamente sulle proprietà meccaniche ed elettriche del materiale. Quando un PCB supera la Tg del materiale del substrato, esso perde rigidità, aumenta il coefficiente di espansione termica (CTE), e può subire deformazioni che compromettono l'integrità delle tracce conduttive e la qualità dell'interconnessione (come i vias o i pad). Per questo motivo, la Tg è un parametro fondamentale per applicazioni che richiedono stabilità termica.
La scelta del tipo di FR-4 (vedi Tabella 1 e Figura 2) più adatto dipende da una serie di fattori chiave legati alle specifiche esigenze del progetto. Innanzitutto, è fondamentale considerare la temperatura di esercizio massima: per sistemi che operano a temperature elevate, è necessario optare per un materiale con una Tg alta, in grado di mantenere la stabilità meccanica e prevenire deformazioni. Anche il processo di saldatura influisce sulla selezione del materiale FR-4 con opportuno TG. Tecniche come la saldatura a rifusione o ad onda, che comportano picchi di temperatura significativi, richiedono substrati in grado di resistere senza subire de-laminazioni o bolle. Un altro aspetto critico è il numero di strati del PCB. Nei circuiti multistrato, gli stress termici aumentano considerevolmente durante la fabbricazione e l'operatività, rendendo essenziale l'utilizzo di materiali con una Tg elevata per garantire l'affidabilità strutturale e la stabilità delle connessioni interne (Tabella 1). Infine, anche la durata e l'affidabilità del progetto devono essere tenute in considerazione. In applicazioni come quelle automobilistiche o aerospaziali, dove le condizioni ambientali sono estreme e la sicurezza è prioritaria, i materiali con una Tg alta offrono una maggiore resistenza all'usura ed una migliore performance a lungo termine.
| Proprietà | FR-4 bassa Tg | FR-4 media Tg | FR-4 alta Tg |
| Range Tg | 110-130°C | 150-170°C | ≥180°C |
| CTE (coefficiente di espansione termica) | Alto | Moderato | Basso |
| Stabilità meccanica a T elevata | Bassa | Moderata | Alta |
| Resistenza alla delaminazione | Bassa | Moderata | Alta |
| Costo | Basso | Medio | Alto |
| Applicazioni tipiche | Elettronica di consumo | Elettronica industriale | Applicazioni ad alte prestazioni |
Figura 2: Laminati FR-4 con differenti TG selezionabili su PCBWay per la prototipazione
In alternativa ai materiali FR-4 troviamo i laminati Rogers che sono stati progettati per offrire prestazioni superiori nelle applicazioni a frequenza elevata. I materiali Rogers sono ampiamente utilizzati nell'industria elettronica per la progettazione di PCB ad alte prestazioni, in particolare per applicazioni a frequenze elevate. La gamma di laminati Rogers offre diverse opzioni, ciascuna progettata per soddisfare specifiche esigenze in termini di costante dielettrica, perdita dielettrica, stabilità termica e facilità di lavorazione. La Rogers 4000 Series (vedi Figura 3) è una delle più diffuse nella progettazione di PCB ad alta frequenza, grazie al suo eccellente equilibrio tra prestazioni, costi e facilità di lavorazione.
Tra i laminati più comuni troviamo:
- Rogers 4350B: ha una costante dielettrica relativamente bassa e stabile (~3.48) con un fattore di perdita dielettrica basso (Df ~ 0.0037). È ideale per circuiti RF ad alta velocità ed offre eccellenti prestazioni termiche. Può essere lavorato con processi standard per FR-4, riducendo i costi di fabbricazione.
- Rogers 4003C: simile al 4350B in termini di stabilità dielettrica, ma con una costante dielettrica leggermente inferiore (~3.38). È adatto a sistemi che richiedono stabilità elettrica e termica, come apparecchiature per telecomunicazioni.
Figura 3: Laminati Rogers selezionabili su PCBWay per la prototipazione
Esistono anche materiali specifici per applicazioni a RF (radio frequenze) come ad esempio il PTFE. Questo tipo di materiale è preferito per circuiti RF e microonde grazie alla sua bassa costante dielettrica e perdita dielettrica. Tuttavia, la sua lavorazione richiede tecnologie avanzate e maggiori costi di produzione, rendendolo meno comune per applicazioni a basso budget. Infine, i PCB flessibili trovano applicazione in dispositivi portatili e spazi ristretti. La combinazione con PCB rigidi permette di creare design complessi e altamente integrati, ottimizzando spazio e affidabilità.
Conclusioni
La scelta del materiale giusto per il tuo PCB è un passaggio cruciale che può determinare il successo o il fallimento del tuo progetto. Ogni applicazione ha esigenze uniche: circuiti ad alta frequenza richiedono materiali con bassa perdita dielettrica per minimizzare le perdite di segnale, mentre applicazioni di potenza necessitano di substrati con eccellenti proprietà di dissipazione termica per garantire stabilità e affidabilità. Allo stesso tempo, progetti destinati a dispositivi mobili o wearable beneficiano della flessibilità e della resistenza meccanica dei PCB flessibili. Oltre alle prestazioni tecniche, anche il budget svolge un ruolo fondamentale. Materiali come l’FR-4 offrono un equilibrio tra costo e prestazioni per applicazioni generiche, ma potrebbero non essere sufficienti per esigenze più sofisticate. Per progetti più avanzati, materiali come Rogers o PTFE garantiscono prestazioni superiori, ma ad un costo più elevato. È quindi essenziale valutare attentamente le priorità del progetto per ottimizzare il rapporto costi-benefici. Un ulteriore elemento da considerare è la sostenibilità: la crescente attenzione verso l’ambiente spinge verso soluzioni che riducano l'impatto ecologico, come materiali riciclabili o processi produttivi più sostenibili.
Per affrontare queste sfide con successo, è fondamentale affidarsi ad un fornitore esperto e versatile. PCBWay, leader nel settore, offre una vasta gamma di opzioni di materiali per soddisfare qualsiasi esigenza progettuale. Oltre a materiali standard come l’FR-4, mette a disposizione soluzioni avanzate per applicazioni ad alte prestazioni. La sua piattaforma garantisce supporto tecnico personalizzato, permettendoti di ottimizzare il design in ogni fase, dalla prototipazione alla produzione su larga scala. Con PCBWay hai la certezza di ottenere PCB di alta qualità, costruiti per durare e capaci di rispettare i requisiti più stringenti del tuo progetto.
