Nozioni di Base sui PCB (Parte Prima)

INTRODUZIONE

Uno dei concetti chiave dell'elettronica moderna è il circuito stampato o PCB. È un elemento talmente fondamentale che spesso ci si dimentica di spiegare cos’è, e come è composto. Questa serie di tre articoli vuole analizzare, senza la pretesa di essere esaustivo, tutto ciò che costituisce e sta dietro ad un circuito stampato e spiegare alcuni dei termini comuni utilizzati nel mondo della progettazione PCB.

Nel corso della trattazione, parlerò della composizione di un circuito stampato, della terminologia, esaminerò i metodi di assemblaggio e discuterò brevemente il processo di progettazione che sta dietro alla creazione di un nuovo PCB.

SUGGERIMENTI ALLA COMPRENSIONE DELLA LETTURA

Prima di iniziare, mi permetto di consigliarvi temi di approfondimento, almeno per chi non è direttamente un “addetto ai lavori”, di cui potreste aver interesse, per comprendere la impalcatura teoretica che è alla base di alcuni concetti accennati in questo articolo. La seguente è una lista di queste “basi” che costituiscono il pilastro concettuale:

• Che cosa è l'elettricità.
• Che cosa è un circuito.
• Basi dell’elettrotecnica: tensione, corrente, resistenza e legge di Ohm.
• Nozioni di base sui connettori.
• Differenze tra la saldatura PTH e SMD.
• Basi sulla teoria dei segnali.

COME NASCE UN PCB

Il nome più comune che viene impiegato è Circuito stampato, ma può anche essere chiamato "printed wiring boards" o "printed wiring cards". Prima dell'avvento dei circuiti PCB (acronimo anglosassone di circuito stampato: “Printed Circuit Board”), i circuiti elettrici ed elettronici, erano costruiti attraverso un laborioso processo di cablaggio punto a punto. Questo portava a frequenti guasti alle giunzioni dei fili e a cortocircuiti quando l'isolamento dei fili iniziava ad invecchiare e a rompersi.

Figura 1 – Tipica scheda montata in “Wire wrapping” 

Un progresso significativo è stato lo sviluppo del “wire wrapping” (si veda la Figura 1), in cui il collegamento dei vari componenti avveniva con un piccolo filo che veniva letteralmente avvolto attorno ad un reoforo, creando una connessione a discreta tenuta e facilmente modificabile, grazie al fatto che questo avvolgimento poteva essere letteralmente “sfilato” dal reoforo su cui era stato avvolto. Talvolta, per rendere il circuito più stabile meccanicamente, l’avvolgimento sul reoforo veniva saldato, rendendo l’insieme altamente durevole ma perdendone la facilità di modifica.

Con un progresso esponenziale, l'elettronica si è spostata dai tubi a vuoto e dai relè ai circuiti integrati e al silicio, e le dimensioni e il costo dei componenti elettronici hanno cominciato a diminuire. L'elettronica è diventata più diffusa nei beni di consumo e la pressione, per ridurre le dimensioni e i costi di produzione dei prodotti elettronici, ha spinto i produttori a cercare soluzioni migliori atte a ridurre lo spazio ed a semplificarne la produzione ed il test. Nacque così il PCB che è l'acronimo appunto, di circuito stampato (Figura 2). 

Figura 2 – Tipico PCB di un dispositivo elettronico 

Il PCB è una scheda che ha linee e pad che collegano vari punti tra loro. Nella figura 2, è possibile vedere le tracce che collegano elettricamente i vari connettori ed i componenti tra di loro. Un PCB permette di instradare segnali e potenza tra dispositivi fisici. La saldatura è il metallo che realizza i collegamenti elettrici tra la superficie del PCB e i componenti elettronici. Essendo metallo, la saldatura serve anche come forte adesivo meccanico (Figura 3).

Figura 3 – La saldatura di un componente “Throught hole”

In passato e fino a circa l’anno 2006, la saldatura era attuata con una lega di piombo e stagno al 60/40, poi il piombo è stato eliminato in quanto tossico e rimpiazzato con una piccola percentuale di altri metalli come rame e argento: in genere stagno e rame al 99,3/0,7, oppure stagno e argento al 96/4 ma anche al 2.5% argento, 0.7% rame e 95.8% stagno.

Lo scopo dell'utilizzo di una lega, che si chiama “lega eutettica” (dal Greco "facile da fondere"), è quello di avere una temperatura di fusione più bassa di quella dei singoli metalli costituenti.

COMPOSIZIONE DI UN PCB

Un PCB è una sorta di “torta” con strati sovrapposti alternati, di materiali diversi, che vengono laminati insieme attraverso un processo con calore e adesivo in modo tale che il risultato finale sia quello di un unico oggetto (Figura 4).

Figura 4 – Tipica composizione di un PCB

Nella seconda parte, proverò a descriverlo partendo dal substrato centrale.