Circuiti stampati (PCB) costituiscono lo scheletro centrale dei prodotti elettronici, in quanto non solo trasportano i componenti ma determinano anche le prestazioni e l'affidabilità dei dispositivi. Questo articolo approfondisce elementi chiave come i principi di progettazione dei PCB, la selezione dei materiali e il controllo di qualità.
Che cos'è un PCB?
I PCB creano connessioni elettriche attraverso tracce di rame su un substrato isolante, sostituendo cablaggi complessi e consentendo la trasmissione di segnali e la distribuzione di energia tra i componenti. Conosciuti come la "madre dei prodotti elettronici", i circuiti stampati si sono evoluti dalle prime strutture a strato singolo a forme complesse quali Interconnessione ad alta densità (HDI) nonché Circuiti flessibili, supportando richieste che vanno dall'elettronica di consumo al settore aerospaziale.
Evoluzione delle metriche chiave
| L'era | Strati principali | Precisione della larghezza della linea | Sviluppo del materiale |
|---|
| 1950s | Singolo lato | >1 mm | CCL cartaceo |
| 1980s | 2-4 strati | 0,2-0,5 mm | Standardizzazione FR-4 |
| 2000s | 6-8 strati | 0,1 mm | Materiali ad alta frequenza |
| Presente | 10-20+ strati | <0,05 mm | Combinazione rigida-flessibile |
Funzioni principali del PCB
- Interconnessione elettrica - Consente la trasmissione completa del segnale attraverso un instradamento preciso; i circuiti ad alta frequenza richiedono un controllo impedenza caratteristica.
- Supporto meccanico - Fornisce una superficie di montaggio stabile per pacchetti come BGA e QFN.
- Gestione termica - Dissipa il calore attraverso i vial termici, i substrati con anima metallica (ad esempio, le schede di illuminazione a LED).
- Compatibilità elettromagnetica - Riduce la diafonia dei segnali grazie alla pianificazione dell'impilamento multistrato degli strati di potenza e di terra.
Caso reale: Le schede madri degli smartphone utilizzano HDI a qualsiasi livello ottenendo un routing BGA con passo di 0,3 mm in uno stack a 10 strati e integrando al contempo i circuiti RF dell'antenna.
Panoramica completa della classificazione dei PCB
Classificazione per numero di strati
- Singolo lato - Costo minimo, adatto a circuiti semplici (ad esempio, moduli di potenza)
- Doppio lato - Prestazioni ottimali in termini di costi, interconnessioni tramite vias
- Multistrato - 4-30+ strati, supporta interconnessioni IC complesse (ad esempio, schede madri di server)
Classificazione per substrato
| tipo | Caratteristiche | Scenari d’applicazione |
|---|
| PCB rigido | Stabilità dimensionale, elevata resistenza | Computer, controlli industriali |
| PCB flessibile | Pieghevole, resistente alla fatica | Dispositivi indossabili, moduli per fotocamere |
| Rigido-flessibile | Bilanciamento della stabilità e del routing 3D | Apparecchiature mediche, aerospaziale |
Guida alla selezione dei materiali per PCB
Confronto tra substrati comuni
Tessuto di vetro epossidico FR-4
Vantaggi: Basso costo (¥80-200/㎡), elaborazione matura
Limitazioni: Elevata perdita ad alta frequenza, moderata resistenza al calore
Applicazioni: Elettronica di consumo, apparecchiature di potenza
Serie Rogers ad alta frequenza
Vantaggi: Costante dielettrica stabile, bassa tangente di perdita
Limitazioni: Costo elevato (5-8x FR-4)
Applicazioni: Stazioni base 5G, sistemi radar
PCB con anima in metallo (MCPCB)
Vantaggi: Eccellente dissipazione termica (1-3W/m-K)
Limitazioni: Difficoltà di fabbricazione multistrato
Applicazioni: LED ad alta potenza, elettronica automobilistica
Schede flessibili in poliimmide
Vantaggi: Resiste a >100k curve
Limitazioni: Elevato assorbimento di umidità, richiede una pre-cottura
Applicazioni: Telefoni pieghevoli, apparecchiature dinamiche
Processo decisionale di selezione
- Definire le esigenze elettriche - Per le alte frequenze >1GHz, preferire materiali a bassa perdita
- Valutare le condizioni ambientali - Per gli ambienti ad alta temperatura, scegliere materiali ad alta Tg (>170℃).
- Requisiti meccanici - Per gli ambienti vibranti, considerare il design rigido-flessibile
- Ottimizzazione dei costi - Utilizzare l'FR-4 come materiale principale per l'elettronica di consumo, con materiali misti a livello locale.
Principi di layout
- Layout a blocchi - Suddivisione per funzione (RF, digitale, separazione analogica)
- Privilegiare la gestione termica - Posizionare i dispositivi ad alta potenza vicino al bordo della scheda o al percorso di dissipazione del calore.
- Orientamento del flusso del segnale - Ridurre al minimo la lunghezza della traccia per i segnali ad alta frequenza
Specifiche di instradamento
Larghezza della traccia rispetto alla capacità di corrente (rame da 1 oz)
┌────────────┬──────────────────┐
│ Corrente │ Larghezza consigliata│
├────────────┼──────────────────┤
│ 1A │ 0,5 mm │
│ 3A │ 1,5 mm │
│ 5A │ 2,5 mm │
└────────────┴──────────────────┘
- Controllo rigoroso della corrispondenza della lunghezza per coppie differenziali ad alta velocità (±5mil)
- Evitare gli angoli di 90°, utilizzare tracce a 45° o ad arco.
Controllo qualità: Processo completo dalla materia prima al prodotto finito
Difetti comuni e contromisure
| Tipo di difetto | Causa | Soluzione |
|---|
| Scorrimento della lamina di rame | Adesione insufficiente del materiale | Ottimizzare i parametri di laminazione |
| Distorsione del segnale | Deviazione del controllo dell'impedenza | Migliorare la compensazione dell'incisione |
| Scarsa saldabilità | Progettazione errata del cuscinetto | Aggiungere la diga della maschera di saldatura |
| EMI | Struttura di impilamento irragionevole | Regolare lo schema di messa a terra |
Processo di ispezione
Ispezione delle materie prime → Imaging dello strato interno → Ispezione AOI → Laminazione
→ Foratura e placcatura → Imaging dello strato esterno → Maschera di saldatura e serigrafia → Test elettrico e imballaggio
Le moderne fabbriche di PCB combinano Ispezione ottica automatizzata (AOI) con Test della sonda volante per garantire una resa del prodotto >98%.
Panorama della catena industriale dei PCB
A monte: Fibra di vetro/Foglio di rame/Resina → Midstream: CCL/Prepreg → Produzione di PCB → A valle: Assemblaggio elettronico
La Cina è diventata la più grande base di produzione di PCB al mondo, rappresentando 56% del valore della produzione globale, con una percentuale di prodotti ad alto valore aggiunto come HDI e schede flessibili in continuo aumento.