La complessa storia dello spessore dei PCB

Quando progettiamo un PCB pensiamo al suo spessore (thickness) finale in valori discreti: 0,2 mm, 0,8 mm, 1,55 mm, 2,4 mm e altri. Ma la realtà è che quasi mai otterremo un PCB con questi spessori esatti. In questa sede ne illustreremo i motivi, i molti fattori che influenzano lo spessore finale delle schede, le tolleranze che possiamo aspettarci, dove e come misuriamo e come pianificare il vostro progetto di conseguenza.

Nel vivo del progetto

Siamo abituati a parlare degli strati di un circuito stampato in termini di strati (layer) di routing: superiore (top), inferiore (bottom), interno-1 (internal-1) e così via. Ma ci sono molti altri “strati” in mezzo, sopra e sotto: core, prepreg, metalizzazione (plating), finitura (finish), soldermask, serigrafia, ecc. che contribuiscono allo spessore finale di una scheda. Una scheda a due strati è semplice perché ha un’anima (core) in laminato (di solito FR-4) con due fogli di rame sulla parte superiore e inferiore. È pronta per la produzione e il suo spessore è in gran parte noto prima ancora di iniziare la produzione. Quando si aggiungono strati di rame interni, tuttavia, le cose si complicano.

Per facilitare la discussione, definiamo. Innanzitutto. tre diversi spessori:

• Nominale (Nominal): è lo spessore discreto con cui si inizia, ad esempio, 1,0 mm, 1,55 mm, 3,2 mm, ecc. Si tratta di un’etichetta (label) utilizzata per riferirsi a un insieme di diversi spessori di accumulo che si trovano “intorno” a questo valore.
• Calcolato (Calculated): si tratta di una previsione dello spessore basata sulla somma di tutti i singoli strati di materie prime previsti che compongono l’accumulo. Il calcolo può tenere conto dell’espansione o della contrazione durante il processo di produzione. Questo dato comprende il rapporto tra laminato superiore e laminato inferiore e il rame superiore e inferiore, ma non include metalizzazione, finitura, soldermask e serigrafia.
• Misurato (Measured): è lo spessore misurato della scheda prodotta dal laminato superiore a quello inferiore più lo spessore della materia prima del rame superiore e inferiore. Questo valore non include metalizzaione, finitura, soldermask e serigrafia.

Ingenuamente si potrebbe pensare che, conoscendo gli spessori delle materie prime, si possa facilmente prevedere lo spessore del pannello finito con sicurezza o addirittura controllare meglio lo spessore finale in modo che si avvicini agli spessori nominali. In realtà questo è piuttosto difficile da fare. In primo luogo, le tolleranze di spessore previste dai fornitori di materiali sono di circa il 10% (quindi un pannello di 1,55 mm può essere compreso tra 1,4 e 1,7 mm). In secondo luogo, lo spessore effettivo dipende dal progetto! Uno strato interno di rame rado “accetterà” molta più resina preimpregnata durante la pressatura, rispetto a uno strato interno di rame per lo più solido. Inoltre, lo spessore della lastra di rame superficiale può essere noto, ma lo spessore e la distribuzione della metalizzaione e della finitura saranno diversi a seconda della distribuzione del rame; questo è il motivo per cui lo spessore materiale del rame viene aggiunto allo spessore misurato (come definito sopra) invece di essere incluso insieme al resto dell’accumulo quando si effettua la misurazione.

Calcolo dello spessore

Quando scegliamo una scheda a 6 strati da 1,5 mm, gli accumuli disponibili possono variare da 1,47 mm a 1,82 mm di spessore, si notino le cifre in basso a destra delle immagini, influenzati soprattutto dallo spessore delle lamine di rame (12 µm contro 70 µm).

Lo spessore calcolato dipende dalle nostre scelte progettuali. Prendiamo ad esempio una scheda a 6 strati da “1,55 mm” di Eurocircuits. Nel ‘Buildup Editor’ (del Visualzer) possiamo vedere che sono disponibili oltre 20 possibili buildup con spessori che vanno da 1,47 mm a 1,82 mm! Questo ha senso: se scegliamo lamine di rame più spesse, lo spessore complessivo della scheda aumenterà. Scegliamo il buildup da 1,82 mm, che è già circa il 17% più spesso di 1,55 mm. Ora dobbiamo applicare la tolleranza del fornitore di PCB, che di solito è del 10% in tutto il settore, anche presso Eurocircuits. Questo ci dà un intervallo di spessore compreso tra 1,64 mm e 2 mm.

Ma non è tutto. Ricordiamo che i valori finali di cui sopra non includono metalizzazione, soldermask e serigrafia. Insieme possono aggiungere 0,125 mm su ciascun lato della scheda, quindi dobbiamo aggiungere 0,25 mm al nostro caso peggiore di spessore della scheda. Ciò significa che, a seconda della finitura e di ciò che è presente sulla superficie del punto in cui misuriamo, il pannello può avere uno spessore di oltre 2,2 mm!

L’esempio precedente dimostra tre cose fondamentali. In primo luogo, che lo spessore nominale della tavola è solo un’etichetta (label) per un insieme di spessori possibili. In secondo luogo, possiamo ottenere un pannello che può essere significativamente diverso dall’etichetta nominale con cui siamo partiti. Infine, lo spessore dipende dalle caratteristiche del luogo in cui si effettua la misurazione.

Possiamo avere un controllo migliore?

Poiché le anime e i preimpregnati sono disponibili in molti spessori diversi, una domanda ragionevole è: perché non utilizzare gli spessori dei materiali che rendono lo spessore calcolato il più vicino possibile a quello nominale? Ci sono due ragioni principali per cui questo non è pratico.

In primo luogo, le anime e i preimpregnati più sottili (0,1 mm o meno) sono fragili e molto più difficili da lavorare in modo affidabile. Inoltre, i fogli di prepreg sottile non aderiscono molto bene al rame e al laminato e l’uso di un solo foglio può causare un aumento dei casi di delaminazione (in Eurocircuits usiamo quasi sempre due fogli di prepreg).

In secondo luogo, le anime e i fogli di prepreg hanno una durata di conservazione limitata, dell’ordine di mesi, quindi tenere scorte di molti spessori può essere costoso e dispendioso. Mantenere una piccola quantità di spessori “standard” più comuni, che possono comporre la maggior parte delle costruzioni desiderate, è economicamente vantaggioso e garantisce la disponibilità, poiché possono essere reperiti da più fornitori.

Spessore delle schede in Eurocircuits

Riassumiamo i punti più importanti:

• Lo spessore nominale del pannello è spesso solo un’etichetta.
• Lo spessore calcolato della scheda è la somma degli spessori nominali di ogni strato che compone l’accumulo (laminati più rame). Lo spessore misurato è lo spessore effettivo da laminato a laminato con l’aggiunta dello spessore del rame esterno grezzo.
• Gli spessori delle schede non includono metalizzazioni, finiture, soldermask e serigrafie.
• Come Eurocircuits, la maggior parte dei produttori garantisce una tolleranza del 10% rispetto allo spessore calcolato.

E soprattutto: se lo spessore della scheda è una dimensione cruciale per il vostro prodotto, non aspettatevi mai di ricevere uno spessore esatto e assicuratevi che ci sia una tolleranza sufficiente che tenga conto di tutte le tolleranze peggiori. Tuttavia, nei casi in cui vi sia un requisito di spessore rigido, collaborate con noi fin dall’inizio per assicurarvi che sia raggiunto in modo affidabile.

Il nostro potente Visualiser fornisce strumenti per definire lo spessore del pannello in cui è necessario prestare attenzione allo spessore calcolato. Ciò avviene principalmente nello strumento ‘Buildup Editor‘.

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