Cos'è un PCB? Significato e funzionamento di una scheda PCB

Un circuito stampato, o PCB dall'acronimo inglese Printed Circuit Board, è un assieme elettronico che utilizza conduttori di rame per creare connessioni elettriche tra i componenti. I circuiti stampati forniscono un supporto meccanico per i componenti elettronici in modo che il dispositivo possa essere montato in un involucro. La progettazione di un circuito stampato comporta una serie specifica di passaggi in linea col processo di produzione, l'incapsulamento del circuito integrato e la struttura della scheda nuda.

Le funzionalità conduttive di un circuito stampato includono tracce di rame, pad e piani conduttivi. La struttura meccanica è costituita da un materiale isolante laminato tra layer di conduttori. La struttura complessiva è placcata e coperta con una maschera di saldatura non conduttiva, mentre un materiale serigrafico viene stampato sulla parte superiore della maschera di saldatura per fornire una legenda dei componenti elettronici. Dopo che questi passaggi di fabbricazione sono stati completati, la scheda nuda può passare alla fase di assemblaggio PCB, dove i componenti vengono saldati sulla scheda e quindi il PCBA, Printed Circuit Board Assembly, può essere testato.

Cosa sono e come vengono prodotte le schede PCB

La progettazione delle schede PCB è ormai diventata una catena di produzione a sé stante all'interno dell'industria elettronica. I circuiti stampati svolgono un ruolo importante, in quanto forniscono interconnessioni elettriche tra i componenti, un supporto rigido per i componenti e un package compatto che può essere integrato nel prodotto finale. I circuiti stampati devono essere progettati con cura utilizzando pacchetti software specializzati. La scelta di un software competitivo può essere determinante nel portare a termine il progetto con successo. In quest'articolo, capiremo nel dettaglio cos'è un circuito stampato e tratteremo alcuni punti salienti da tenere a mente durante la progettazione PCB.

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Tutti i circuiti stampati sono costituiti da layer di rame conduttivo alternati a layer di materiale elettricamente isolante. Durante la produzione, i layer di rame interni vengono incisi, lasciando esposte le tracce di rame previste per il collegamento dei componenti della scheda. Diversi layer incisi vengono quindi laminati in successione fino al completamento dello stack-up del circuito stampato. La creazione di una scheda nuda che passerà poi alla fase di assemblaggio è il processo standard utilizzato nella fabbricazione dei PCB.

Storia dei circuiti stampati

Prima di spiegare cosa siano i circuiti stampati, è importante capire la loro storia. In passato, l'elettronica veniva progettata e assemblata a partire da piccoli circuiti integrati e componenti discreti, collegati tra loro tramite fili. I progetti standard odierni possono contenere componenti con un numero elevato di pin, diversi circuiti integrati e componenti passivi molto piccoli. Questo rende impossibile il collegamento manuale dei componenti attraverso fili saldati. Le connessioni in rame vengono quindi depositate direttamente su substrati isolanti per formare connessioni elettriche. Di conseguenza, i processi di produzione PCB si sono evoluti parallelamente ai requisiti strutturali per i package elettronici e le interconnessioni. Molti dei dispositivi contemporanei sono progetti HDI avanzati con migliaia di connessioni e più interfacce elettriche capaci di alimentare ogni tipo di dispositivo, dagli smartphone, ai cardiofrequenzimetri, ai razzi. 

Prima dell'avvento delle schede PCB, i componenti venivano allestiti attraverso il collegamento con fili singoli e il montaggio su un substrato rigido. Questo substrato era inizialmente costituito da un materiale chiamato bachelite, che veniva utilizzata per sostituire lo strato superiore di una lamina di compensato. I percorsi conduttivi venivano creati saldando i componenti metallici a fili; i circuiti più grandi con molti componenti potevano quindi contenere un gran numero di connessioni. L'elevato numero di fili poteva portare all'aggrovigliamento degli stessi e necessitava inevitabilmente di ampio spazio all'interno del progetto. Il debugging era difficoltoso, con conseguenze sull'affidabilità. Anche la produzione era lenta, dal momento che tutti i componenti e le relative connessioni dovevano essere saldati manualmente.

Tipologie di circuiti stampati

Nella sezione precedente, mi sono concentrato sui classici PCB assemblati su substrati rigidi, dal momento che sono il tipo di circuiti stampati più comune. Tuttavia, esistono altri tipi di circuiti stampati costruiti su una varietà di possibili materiali. Le tipologie più comuni di PCB sono:

• Monofaccia: questo tipo di scheda PCB ha i componenti montati su una singola superficie. La superficie posteriore è generalmente in rame (massa) e rivestita con una maschera di saldatura.
• A doppia faccia: questo tipo di circuito presenta componenti montati su entrambe le superfici. Ciascuna superficie è definita come un layer di segnale nello stack-up PCB ed entrambe le superfici contengono tracce in grado di trasportare segnali tra i componenti.
• Multistrato: queste schede possono avere conduttori sui layer interni che trasportano segnali elettrici tra i componenti, oppure i layer interni possono essere layer piani conduttivi. I PCB multistrato possono essere sia monofaccia che a doppia faccia.
• PCB rigidi: queste schede PCB sono fabbricate e assemblate su un materiale laminato rigido, come i materiali laminati in fibra di vetro impregnati di resina epossidica di grado FR4. Sono disponibili anche altri tipi di laminati rigidi, che forniscono diverse proprietà del materiale adatte ad applicazioni specifiche.
• PCB rigido-flessibili: i PCB rigido-flessibili utilizzano un nastro flessibile in poliimmide come collegamento tra due o più sezioni rigide in un circuito elettronico completo (PCBA). Una scheda rigido-flessibile può essere utilizzata nei progetti che richiedono elementi mobili, come un involucro pieghevole o piegabile.
• PCB flessibili: i PCB completamente flessibili non utilizzano materiali PCB rigidi e sono realizzati interamente con nastro in poliimmide flessibile. Queste schede possono avere componenti montati e saldati, proprio come i PCB rigidi e rigido-flessibili.
• PCB con anima in metallo: queste schede utilizzano una lastra metallica come layer centrale (solitamente in alluminio) per fornire rigidità e dissipazione del calore maggiori rispetto a un classico PCB rigido. Il processo di produzione dei PCB con anima in metallo è molto diverso dal processo di produzione dei PCB rigidi standard e ci sono alcuni punti di progettazione da considerare per garantirne la risolvibilità. Queste schede sono comuni nell'illuminazione ad alta potenza e in alcune applicazioni industriali.
• PCB in ceramica: questo tipo di PCB è poco comune e viene solitamente utilizzato in applicazioni che richiedono una conduttività termica molto elevata, in quanto permettono alla scheda di dissipare grandi quantità di calore lontano dai componenti.

I processi di fabbricazione e assemblaggio per questi tipi di PCB variano, ma un software ECAD di qualità può aiutare i progettisti a creare qualsiasi di queste schede. L'importante è che nel software vengano applicate le regole di progettazione PCB corrette.

Nell'immagine precedente, possiamo osservare un circuito stampato che utilizza molti componenti a foro passante per fornire la funzionalità richiesta. I PCB moderni utilizzano per lo più componenti a montaggio superficiale (SMD), dal momento che questi sono più efficienti nei progetti a doppio strato e ad alta densità. I componenti SMD sono ora il tipo di componente standard utilizzato nella maggior parte delle applicazioni che necessitano di dimensioni, potenza e costi contenuti. Tuttavia, alcune applicazioni utilizzano ancora componenti a foro passante, dal momento che questi sono più affidabili e più facili da assemblare, anche con l'assemblaggio manuale. L'immagine seguente mostra un esempio di un moderno PCB con componenti SMD ad alta densità.

Struttura e applicazioni delle schede PCB

Gran parte delle più importanti caratteristiche prestazionali di una scheda PCB sono definite nello stack-up o nella disposizione dei layer. Lo stack-up dei layer è costruito con strati alternati di materiale conduttivo e isolante, e con strati alternati di core e materiale pre-preg (due tipi di materiali dielettrici utilizzati nello stack-up). Le proprietà dielettriche e meccaniche del core e del pre-preg determinano l'affidabilità e l'integrità del segnale e l'integrità della alimentazione nella progettazione. Per questo è importante selezionare con cura i materiali, specialmente per i PCB con applicazioni ad alta affidabilità. Ad esempio, le applicazioni militari e mediche richiedono progetti altamente affidabili che potrebbero dover essere implementati in ambienti operativi difficili, mentre un PCB per un sistema di telecomunicazioni potrebbe richiedere un laminato PTFE a bassa perdita posizionato in un package ridotto.

Di seguito è mostrato un esempio di stack-up PCB. In questo esempio, lo stack-up implementa una struttura a 4 layer con due layer piani interni (L02_GND per la massa e L03_PWR per l’alimentazione). Questo tipo di stack-up è adatto ai dispositivi IoT, ai sistemi embedded leggeri e a molti altri progetti che utilizzano protocolli ad alta velocità. La disposizione del piano interno aiuta a garantire l'integrità dell'alimentazione, fornendo al contempo anche una certa schermatura contro le interferenze elettromagnetiche esterne. I layer interni forniscono inoltre un riferimento affidabile per i segnali di impedenza controllata. Questo tipo di stack-up si può ritrovare in molti progetti ed è spesso un punto di partenza valido per molti PCB moderni.

Esempio di disegno di stack-up creato con Draftsman di Altium Designer.

Come iniziare un nuovo progetto PCB

La progettazione di un circuito stampato si snoda attraverso diverse fasi. I circuiti stampati destinati alla produzione industriale sono progettati utilizzando software ECAD o un'applicazione CAD che includa funzionalità specifiche per la progettazione e il layout dei circuiti. Il programma ECAD è stato creato per aiutare i progettisti a seguire un processo specifico per la progettazione dei circuiti stampati, partendo da disegni elettrici di base e terminando con la preparazione dei file di produzione. La progettazione dei circuiti stampati segue un processo standard:

1. Progettazione front-end: in questa fase vengono selezionati i componenti principali e creati alcuni schemi elettrici di base in modo da poter progettare le funzionalità della scheda.
2. Cattura degli schemi: viene utilizzato il software ECAD per tradurre i semplici schemi elettrici in disegni elettronici capaci di definire le connessioni elettriche tra i componenti. I simboli schematici vengono utilizzati per indicare i componenti all'interno del progetto.
3. Selezione del materiale e progettazione dello stack-up PCB: vengono selezionati i materiali laminati e progettato lo stack-up dei layer per soddisfare le esigenze di progettazione, inclusi i layer piani, i layer di segnale, i canali di routing e le proprietà specifiche del materiale.
4. Posizionamento dei componenti: dopo aver impostato la forma della scheda e importato i componenti in un nuovo layer PCB, i componenti PCB vengono disposti nel layout per soddisfare i requisiti meccanici del progetto.
5. Routing: una volta approvato il posizionamento dei componenti, è il momento di sbrogliare le tracce. Gli strumenti di routing del software ECAD vengono utilizzati per impostare la geometria della traccia che può essere determinata in questa fase con l'obiettivo di garantire il controllo dell'impedenza (per i segnali ad alta velocità).
6. Revisione e verifica del progetto: una volta completato il routing, è buona prassi esaminare e verificare il progetto per assicurarsi che non vi siano errori o problemi irrisolti. Questo può essere fatto attraverso l'ispezione manuale, o utilizzando strumenti di simulazione post-layout.
7. Preparazione alla fase produzione: una volta completato il progetto, è il momento di prepararsi alla produzione generando i file di produzione standard che verranno utilizzati dalle apparecchiature di fabbricazione e assemblaggio automatizzate.

Per superare facilmente tutte queste fasi di progettazione PCB, è importante utilizzare il miglior software di progettazione, dotato di un'interfaccia utente intuitiva e un pacchetto completo di funzionalità di progettazione PCB.

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