Cos'è il Design di Elettronica Stampata?

Che cos'è il design dell'elettronica stampata? La risposta è semplice: è progettazione elettronica. Si utilizzano teorie dei circuiti, calcoli matematici e simulazioni basate su computer per fare progettazione elettronica. Si progetta la funzionalità elettrica e le prestazioni di un prodotto utilizzando materiali per elettronica stampata. I materiali sono il punto chiave poiché i materiali utilizzati per l'elettronica stampata hanno caratteristiche di prestazione elettrica diverse da quelle utilizzate nei PCB tradizionali. Inoltre, l'elettronica viene costruita in modi diversi utilizzando materiali per elettronica stampata. È ben noto come vengono realizzate le tracce sui PCB. Inizialmente, un ingegnere elettronico le progetta, definisce le dimensioni in base ai requisiti elettrici e, una volta che il design è pronto, vengono rilasciati i file di produzione.

Nella produzione, il PCB viene fabbricato secondo i file di progetto copiando i circuiti elettrici sul rame di un PCB, ad esempio, esponendo un film fotosensibile mascherato ai raggi UV. Quindi, il rame che non è stato esposto alla luce UV viene inciso via. Il risultato è una traccia, come progettata. Le sue dimensioni sono corrette e soddisfa i requisiti elettrici. Nell'elettronica stampata, dobbiamo ottenere gli stessi risultati, ma con nuove regole di progettazione, materiali e metodi di produzione.

Gli input e gli output del design di elettronica stampata sono sostanzialmente gli stessi che si trovano nel design dei PCB. Il trucco tra input e output è lo stesso: il design elettronico. È necessario prendere le informazioni sui materiali e le regole di progettazione nel proprio processo di design e l'output sono i file di produzione. Le stesse leggi fisiche sono valide nel design elettronico dei PCB e dell'elettronica stampata e queste stabiliscono i limiti di ciò che può essere fatto. Due circuiti, uno realizzato con PCB e l'altro con elettronica stampata, possono avere esattamente la stessa funzionalità, ma i design dei circuiti appaiono e in realtà sono diversi. Questo è dovuto alle capacità fisiche e alle limitazioni del materiale utilizzato nei circuiti elettrici. In entrambi i circuiti, è necessario applicare differenze di tensione su un'impedenza per far scorrere la corrente. Per ottenere la stessa corrente che scorre in entrambi i circuiti è necessario regolare le impedenze allo stesso livello o impostare livelli di tensione specifici per il circuito. Questi sono i parametri con cui di solito dobbiamo giocare nel design dell'elettronica stampata. Cerchiamo soluzioni ottimali regolando finemente le impedenze e impostando i corretti livelli di tensione.

Nel design elettronico, è fondamentale conoscere le caratteristiche dei materiali del prodotto finale. Per quanto riguarda i PCB, si conosce lo spessore del rame, la resistenza superficiale, le sue proprietà termiche, la costante dielettrica del materiale del PCB, ecc. Esattamente gli stessi parametri che è necessario conoscere per l'elettronica stampata. Qual è lo spessore finale del conduttore di inchiostro d'argento, qual è la sua resistenza al quadrato, qual è la costante dielettrica del materiale del substrato? Si esegue il design elettronico per questi nuovi materiali. La legge di Ohm, le leggi della teoria dei circuiti di Kirchhoff e le equazioni di Maxwell sono applicabili anche nell'elettronica stampata. Ci sono centinaia di diversi inchiostri conduttivi sul mercato, ognuno con una resistività al quadrato unica. Alcuni inchiostri hanno un'alta conducibilità (che tipicamente è comunque molto maggiore di quella del rame puro), ma dopo la polimerizzazione questi non possono allungarsi affatto. Altri inchiostri possono essere stirati dopo la polimerizzazione, ma la conducibilità è ancora peggiore. Nel design elettronico, è essenziale comprendere quale sia la resistenza al quadrato dell'inchiostro utilizzato dopo la polimerizzazione finale.

Un'altra sfida progettuale è che i parametri dei materiali utilizzati nell'elettronica stampata dipendono dal metodo di produzione impiegato. Il modo in cui si stampano gli inchiostri conduttivi, come si curano questi, come sono gli altri inchiostri stampati al di sotto del conduttore, ad esempio, influenzano la resistenza quadrata finale. Se cambi la produzione potresti dover modificare il design del layout. Oppure la produzione deve essere impostata in base ai requisiti del circuito elettrico del tuo progetto. È estremamente importante che tu sappia come avviene la produzione dell'elettronica stampata. Questo non fa alcuna differenza nelle PCB, devi sapere come queste sono costruite e quali sono i limiti di questa particolare produzione, ma nelle PCB, i metodi di fabbricazione sono più standardizzati e ogni produzione è sostanzialmente simile con lievi differenze di capacità. Nell'elettronica stampata, non siamo ancora a questo livello.

Le inchiostri conduttivi possono essere stampati con diversi metodi. I metodi più utilizzati sono la serigrafia e la stampa a getto d'inchiostro, e cercando su Google si possono trovare molti altri metodi. L'aspetto fondamentale relativo al processo di stampa è comprendere le capacità produttive e i suoi limiti. Qual è la distanza minima che devi mantenere tra le tracce? Quanti strati conduttivi puoi utilizzare? Quali sono le larghezze minime e massime per le tracce? Familiarizzati con le regole di progettazione della produzione che intendi utilizzare e verifica il progetto rispetto a queste regole di progettazione. Molte delle regole di progettazione disponibili negli strumenti di progettazione PCB possono essere utilizzate così come sono nella progettazione di elettronica stampata con le corrette definizioni delle regole. Se la produzione include regole di progettazione che non sono supportate dallo strumento di progettazione elettronica, significa che devi effettuare un controllo manuale delle regole di progettazione. Ad esempio, se puoi utilizzare più strati conduttivi isolati da dielettrici stampati, significa che hai esattamente la stessa regola di progettazione tra le tracce del 1° e del 2° strato conduttivo rispetto alle tracce stampate sullo stesso strato. E questo non è supportato dagli strumenti standard di progettazione PCB.

Inoltre, l'elettronica stampata necessita di componenti per ottenere funzionalità e l'assemblaggio dei componenti su un circuito di elettronica stampata non è un processo di saldatura standard. I materiali tipicamente utilizzati nell'elettronica stampata sono le plastiche, il che significa che queste caratteristiche termiche sono diverse rispetto a PCB o FPC. Ciò significa che anche i materiali adesivi sono diversi. Saldature a bassa temperatura, colle conduttive o altri materiali adesivi sono tipici per l'SMA dell'elettronica stampata e questi possono richiedere un footprint speciale per i componenti. È possibile posizionare tracce al di sotto dei componenti? È necessario prevedere aree speciali di esclusione? Che tipo di componenti si possono montare sull'elettronica stampata? Queste sono domande che necessitano di essere considerate da una prospettiva diversa rispetto all'SMA dei PCB. In aggiunta a ciò, i file di produzione per l'assemblaggio superficiale potrebbero essere diversi. È possibile utilizzare un file stencil per la pasta o si dovrebbe fornire invece una mappa per la dispensazione della colla? Verificare in anticipo cosa richiede l'SMA.

Poiché l'elettronica stampata è un'area tecnologica piuttosto nuova, le informazioni sulle caratteristiche dei materiali e sui metodi di produzione non sono disponibili nella stessa misura rispetto ai PCB. In aggiunta a ciò, esiste un'enorme quantità di inchiostri conduttivi stampati che presentano diverse caratteristiche elettriche, e dipende dalle attrezzature e dai metodi di produzione come le caratteristiche si manifestano nel pezzo finito. Il design dipende dall'implementazione delle teorie dell'elettronica per nuovi materiali e metodi di produzione. Per me, il design elettronico significa utilizzare teorie, fisica e matematica per garantire la funzionalità elettrica e le prestazioni. Questi metodi richiedono la conoscenza dei materiali come input. Ho visto che nell'elettronica stampata c'è una mancanza di informazioni sui materiali e a volte le decisioni sono state prese senza calcoli alla base. Allora non si tratta di design, ma è indovinare. E questo non è design elettronico.

Vuoi scoprire di più su come Altium può aiutarti con il tuo prossimo design di PCB? Parla con un esperto di Altium, leggi riguardo l'elettronica stampata nella documentazione di Altium Designer, o ascolta un podcast su i materiali per l'elettronica stampata o l'elettronica stampata presso Tactotek per saperne di più sulla stampa di circuiti elettronici direttamente su un substrato.