Nozioni di Base sui PCB (Parte Seconda)

IL SUBSTRATO “FR4”

Inizio ad analizzare i vari strati di cui è costituito un PCB, accennata nella prima parte di questo articolo partendo dalla parte centrale. Il materiale di base usato, o substrato (in inglese “substrate”), è solitamente vetroresina. Storicamente, il substrato più comune per questa fibra di vetro è "FR4". Questo nucleo solido conferisce al PCB la sua rigidità e il suo spessore. Ci sono anche PCB flessibili costruiti su plastica flessibile ad alta temperatura (Kapton o equivalente). Ho scritto in precedenza un articolo specifico che parla dei circuiti stampati flessibili che vi invito ad andare a leggere per chi volesse approfondire (“Rigid Flex PCB Design: progettazione e applicazioni dei circuiti stampati rigido flessibili”).

Esistono molti PCB di spessore diverso: lo spessore più comune è di 1,6 mm (0,063"). Altri tipi di circuiti, come le schede per microcontrollori o per impieghi a radio frequenza, utilizzano una scheda di 0,8 mm di spessore.

I PCB più economici e le schede perforate (Figura 5) sono realizzati con altri materiali come epossidici o fenolici, che non hanno la durata dell’FR4 e quindi risultano essere molto meno costosi. Questi tipi di substrati si trovano tipicamente anche nell'elettronica di consumo di fascia bassa. Vi accorgerete di lavorare su questa tipologia di materiale, i fenoli, perché hanno una bassa temperatura di decomposizione termica che li fa de-laminare, fumare e carbonizzare quando il saldatore viene tenuto troppo a lungo sulla scheda.

Figura 5 – Tipico PCB “millefori” per uso prototipazione

COPPER (RAME)

Lo strato successivo è un sottile foglio di rame, che viene laminato sulla scheda PCB totale con calore e adesivo. Sui comuni PCB a doppio lato (Figura 4), il rame viene applicato su entrambi i lati del substrato. Nei circuiti elettronici a basso costo il PCB può avere il rame solo su un lato. Quando mi riferisco ad una scheda a doppia faccia (o a 2 strati o lati), mi riferisco al numero di strati di rame che compongono il PCB per intero. Il PCB quindi può essere ad un solo strato e fino a 16 o più strati per applicazioni come le mother board dei computer (Figura 6).

Figura 6 – PCB multi strato realizzato con ALTIUM Designer ®

Lo spessore del rame può variare ed è specificato in peso, per la precisione in once per piede quadrato (1piede quadrato corrisponde a circa 0,093m²). La stragrande maggioranza dei PCB ha 1 oncia (1 oncia corrispondono a circa 28,35g) di rame per piede quadrato, ma alcuni PCB che gestiscono una potenza molto elevata, possono arrivare ad usare 2 o 3 once di rame per piede quadrato. Ogni oncia al quadrato si traduce in circa 35 µm (o 1,4 millesimi di pollice di spessore di rame).

SOLDERMASK

Lo strato sopra la lamina di rame è chiamato strato di soldermask. Questo strato dà al PCB il suo colore verde (o rosso o blu). Viene sovrapposto allo strato di rame per isolare le tracce di rame dal contatto accidentale con altri metalli o saldature. Questo strato aiuta l'utente a saldare nei punti corretti e a prevenire ponticelli accidentali di saldatura.

Nella figura seguente (Figura 7) è possibile vedere un esempio di una maschera di saldatura verde (soldermask verde) che viene applicata alla maggior parte dei PCB, coprendo le tracce ma lasciando i “pad” e i “pad SMD” non coperti in modo che possano essere saldati.

Figura 7 – Esempio di Soldermask

Il Soldermask più comunemente impiegato è di colore verde, ma quasi tutti i colori sono possibili. Nella figura seguente (Figura 8) potete vedere un soldermask di colore blu su una scheda disegnata con ALTIUM Designer ®.

Figura 8 – Esempio di Soldermask blu

SILKSCREEN

Lo strato di serigrafia bianca viene applicato sopra lo strato di soldermask. La serigrafia aggiunge lettere, numeri e simboli al PCB, che consentono un assemblaggio più facile e indicatori utili a chi monta le schede, per comprendere meglio l’orientazione di montaggio e i vari dettagli di cablaggio. Spesso vengono usate etichette serigrafiche per indicare quale sia la funzione di ogni pin sia dei connettori che dei circuiti integrati (utile soprattutto nel caso di microcontrollori). Nella figura seguente (Figura 9) ne riporto un esempio di apposizione durante un processo di progettazione al CAD.

Figura 9 – Esempio di Silkscreen disegnato con ALTIUM Designer ®

Il colore della serigrafia più comunemente usato è il bianco, ma si può usare qualsiasi colore di inchiostro. I colori grigio, rosso e persino il giallo (come nell’esempio di figura 9) della serigrafia, sono ampiamente impiegati, tuttavia è raro vedere più di un colore su un singolo PCB.

Il Silkscreen viene posizionato sullo strato del lato componenti (generalmente chiamato “Top layer”), oppure può essere posizionato sullo strato inferiore di un PCB (generalmente chiamato “Bottom layer”) od entrambi. Un errore comune quando si posiziona la serigrafia su un circuito stampato è quello di posizionarla troppo vicino a un pad, o anche sotto un pad. I migliori software per la progettazione di PCB permettono di visualizzare le dimensioni del pad previsto nell'editor di PCB, garantendo il corretto posizionamento della serigrafia. È necessario mantenere le corrette distanze tra la serigrafia e i pad esposti. Una buona regola è quella di posizionare almeno 3 mils di spazio tra un pad e la serigrafia.

Il pollice (inch in Inglese) è un'unità di misura che non fa parte del sistema internazionale di unità di misura benché risulta essere ampiamente utilizzata in molti settori tecnologici e soprattutto nel campo della progettazione dei PCB.

Un mils corrisponde a un millesimo di pollice, quindi i 3 mils visti sopra, corrispondono a 0.0762 mm in quanto 100 mils, cioè un pollice (1 inch) corrispondono a 2.54mm. Per intenderci, la distanza fra i piedini degli integrati più comuni è di 100 mils (passo 2.54mm). La maggior parte dei software CAD (Computer Aided Design) per circuiti stampati richiede le misure in mils: larghezza delle piste, diametro dei fori, distanza tra piste, etc.…). Abituati ad usare il sistema metrico ci si può trovare in difficoltà, di seguito riporto una tabella di conversione che può rendere immediata la conversione mils in mm e viceversa.

Nella terza ed ultima parte, accennerò alla terminologia principale in ambito progettazione e produzione dei PCB.