Che cos'è il circuito stampato (PCB)

Che cos'è un Circuito stampato (PCB)?

PCB Le schede a circuito stampato (Printed Circuit Boards), dette anche "schede di cablaggio stampato" o "schede di cablaggio stampato", sono la spina dorsale dell'elettronica moderna, progettate per interconnettere e supportare i componenti elettronici e facilitare la trasmissione di segnali e potenza.

La necessità di PCB

Prima dei PCB, i circuiti si affidavano a metodi di connessione inefficienti:

• Cablaggio punto-punto: Incline a guasti, con degrado dell'isolamento che porta a cortocircuiti.
• Avvolgimento del filo: Resistente ma laborioso, richiede fili avvolti a mano intorno ai pali.

Con la transizione dell'elettronica dai tubi a vuoto ai chip di silicio e ai circuiti integrati (IC), i metodi tradizionali sono diventati poco pratici e hanno portato all'adozione dei circuiti stampati (PCB).

Struttura e funzione del PCB

• I materiali: Substrato isolante stratificato con tracce di rame conduttivo.
• Ruoli chiave:
• Connettività elettrica: I percorsi in rame facilitano il trasferimento di segnali e potenza.
• Supporto meccanico: Fissa i componenti; la saldatura (una lega metallica) lega le parti sia elettricamente che fisicamente.

Vantaggi dei PCB

• affidabilità: Elimina gli errori di cablaggio manuale e i guasti dovuti all'invecchiamento.
• scalabilità: Consente la produzione di massa, riducendo le dimensioni e i costi del dispositivo.

I circuiti stampati hanno rivoluzionato l'elettronica, diventando fondamentali per l'industria moderna.

Composizione e struttura dei circuiti stampati (PCB)

1. Il substrato

• I materiali:
• FR4 (fibra di vetro + epossidica): Il più comune, fornisce rigidità; lo spessore standard è di 1,6 mm (0,063 pollici).
• Substrati flessibili (ad esempio, poliimmide/Kapton): Utilizzato per circuiti stampati pieghevoli, resiste alle alte temperature, ideale per applicazioni specializzate.
• Alternative a basso costo (Resine fenoliche/ epossidiche): Si trovano nell'elettronica di consumo economica; scarsa resistenza al calore, emettono forti odori quando vengono saldati.

2. Strato conduttivo (foglio di rame)

• Struttura:
• Singolo lato: Rame solo su un lato (costo più basso).
• Doppio lato: Rame su entrambi i lati (il più comune).
• Multistrato: Alternanza di strati conduttivi e isolanti (fino a 32+ strati).
• Standard di spessore del rame:
• Standard: 1 oz/ft² (~35 µm).
• Applicazioni ad alta potenza: 2-3 oz/ft² per una maggiore capacità di corrente.

3. Maschera di saldatura

• Funzione:
• Isola le tracce di rame per evitare cortocircuiti.
• Guida la saldatura (ad esempio, espone le piazzole attraverso le aperture).
• colore: In genere verde (ad esempio, SparkFun usa il rosso), ma personalizzabile (blu, nero, bianco, ecc.).

4. Strato serigrafico

• Scopo: Etichetta i designatori dei componenti, la polarità, i punti di test e così via, facilitando l'assemblaggio e il debug.
• colore: Di solito è bianco, ma esistono altre opzioni (nero, rosso, giallo, ecc.).

Strato PCB Panoramica della struttura

1. Singolo lato: Substrato → Rame → Maschera di saldatura → Serigrafia.
2. Doppio lato: Substrato (rame su entrambi i lati) → Maschera di saldatura → Serigrafia.
3. Multistrato: Strati alternati di substrato/rame, sormontati da maschera di saldatura e serigrafia.

Guida alla scelta dei materiali dei substrati per PCB

1. Soluzioni a basso costo (elettronica di consumo)

• FR-1/FR-2 (carta cotone fenolica, alias "bachelite")
• materiale: Resina fenolica + base di carta
• caratteristiche: Costo bassissimo (~1/3 dell'FR-4), ma scarsa resistenza al calore (tendente alla bruciatura) e resistenza meccanica
• domande: Telecomandi, giocattoli e altri dispositivi elettronici di fascia bassa

2. Materiale standard di qualità industriale

• FR-4 (fibra di vetro epossidica)
• Quota di mercato: Utilizzato in >80% di PCB convenzionali
• vantaggi: Costo/prestazioni equilibrato, resistenza al calore fino a 130°C, spessore standard di 1,6 mm.
• Varianti:
  • FR-3 (composito carta-epossidico): Intermedio tra FR-2 e FR-4
  • FR-5: Versione potenziata per alte temperature (resiste a >150°C)

3. Applicazioni ad alta frequenza (>1GHz)

• PTFE (substrati a base di teflon)
• Proprietà: Perdita dielettrica estremamente bassa (Dk=2,2), adatto per 5GHz+ mmWave
• Modelli di esempio: Rogers serie RO3000
• domande: Stazioni base 5G, comunicazioni satellitari, sistemi radar

4. Requisiti di alta conducibilità termica

5. Soluzioni specializzate

• Substrati ceramici (allumina)
• vantaggi: Corrisponde al CTE del chip, resiste a 500°C
• Elaborazione: Richiede la foratura laser (costo elevato), ad es. Rogers RO4000
• Materiali compositi (Serie CEM)
• CEM-1: Anima in carta + superficie in fibra di vetro (alternativa FR-1)
• CEM-3: Tappetino in fibra di vetro + resina epossidica (semitrasparente, comune in Giappone)

Tipi di circuiti stampati (PCB)

I PCB sono classificati principalmente in tre tipi fondamentali in base alla loro struttura a strati:

• PCB monostrato

• Presenta rame conduttivo solo su un lato del substrato
• Il design più semplice e conveniente
• Applicazioni comuni: Elettronica di base, calcolatori, alimentatori

• PCB a doppio strato

• Strati di rame conduttivi su entrambi i lati del substrato
• I vias a foro passante collegano i circuiti tra gli strati
• Offre un instradamento più complesso rispetto a quello di un singolo strato.
• Usi tipici: Controlli industriali, cruscotti automobilistici

• PCB multistrato

• Struttura impilata con alternanza di strati conduttivi e isolanti (4-32+ strati)
• Utilizza vias ciechi/interrati per le connessioni tra gli strati
• Vantaggi: Alta densità, migliore schermatura EMI
• Applicazioni: Smartphone, server, apparecchiature mediche

Funzioni delle schede PCB

1. Collegamento elettrico

• Funzionalità: Le tracce di rame collegano con precisione i componenti (resistenze, condensatori, circuiti integrati, ecc.) per formare topologie di circuiti complete.
• Vantaggi tecnici:
• Alta affidabilità: Sostituisce il cablaggio manuale, eliminando il rischio di cortocircuiti/circuiti aperti (ad esempio, schede madri di smartphone con precisione di traccia di 0,1 mm).
• Integrità del segnale: I progetti multistrato (ad esempio, più di 6 strati) utilizzano piani di massa/alimentazione per ridurre la diafonia (critica per i dispositivi di comunicazione ad alta frequenza).
• esempio: Le schede madri dei computer consentono il trasferimento di dati ad alta velocità (ad esempio, le corsie PCIe 4.0) tra CPU, RAM e GPU tramite il routing della scheda.

2. Supporto meccanico

• Progettazione strutturale:
• Opzioni rigide/flessibili: L'elettronica di consumo utilizza schede rigide FR4, mentre gli indossabili adottano PCB flessibili (ad esempio, i circuiti pieghevoli dell'Apple Watch).
• Metodi di montaggio: I layout misti SMT (ad esempio, resistenze 0402) e THT (ad esempio, connettori di potenza) bilanciano densità e durata.
• Valore pratico: I controllori di volo per droni ottengono una riduzione del peso e una resistenza alle vibrazioni grazie a progetti di PCB leggeri (ad esempio, substrati di alluminio).

3. Protezione del circuito

• Meccanismi di protezione:
• Substrato isolante: I materiali FR4 resistono fino a 500 V/mm, impedendo le perdite (ad esempio, i PCB degli adattatori di alimentazione).
• Maschera solutore: Il rivestimento epossidico verde previene l'ossidazione e i cortocircuiti (comuni in prossimità delle porte USB).
• Trattamenti speciali: I PCB per il settore automobilistico utilizzano un rivestimento conformale (antiumidità e anticorrosione) per gli ambienti più difficili.

4. Gestione termica

• Tecniche di raffreddamento:
• Diffusione del calore del rameIl rame spesso 2 oz nelle schede dei driver LED riduce le temperature di giunzione.
• Ottimizzazione termica: Le schede madri dei server utilizzano vias termici + pad per trasferire il calore agli alloggiamenti (ad esempio, le schede Intel Xeon).
• Materiali speciali: Substrati ceramici (ad esempio, nitruro di alluminio, 170W/mK) per moduli IGBT ad alta potenza.

5. Ottimizzazione dello spazio

• Processi avanzati:
• Tecnologia HDI: I vias ciechi/interrati consentono l'impilamento a 10 strati nelle schede degli smartphone (ad esempio, l'HDI Any-layer dell'iPhone).
• Via-in-Pad: I vias riempiti di resina di JLCPCB impediscono le perdite di saldatura sotto i chip BGA (ad esempio, i processori Snapdragon).
• Efficienza dei costi: I layout compatti (ad esempio, i PCB degli smartwatch a 20mm×30mm) riducono i costi unitari.

Applicazioni estese

• Alta frequenza: I PCB delle stazioni base 5G utilizzano il PTFE (ε=2,2) per ridurre al minimo la perdita di segnale.
• Alta affidabilità: I PCB aerospaziali con placcatura in oro da 50μm garantiscono una stabilità a lungo termine.

Grazie alle innovazioni nei materiali, nei processi e nella progettazione, i PCB continuano a guidare l'elettronica verso prestazioni, miniaturizzazione e affidabilità più elevate.

Spiegazione dettagliata del processo di produzione dei PCB

Processo PCB monostrato (9 fasi principali)

1. Progettazione ingegneristica: Uscita del file Gerber e conferma del processo
2. Taglio del substrato: Taglio di precisione di FR-4 (tolleranza ±0,1 mm)
3. Laminazione a secco: Trasferimento del modello tramite esposizione LDI
4. Incisione acida: 35μm (1oz) incisione su rame
5. Stampa della maschera di saldatura: Applicazione di inchiostro liquido fotoimmaginabile (LPI)
6. Serigrafia: Marcatura con inchiostro epossidico bianco
7. Finitura superficiale: Opzioni HASL/ENIG/OSP disponibili
8. Fresatura CNC: Taglio a V o fresatura di contorno
9. Test finale: AOI + test con sonda volante

Differenze chiave dei PCB a doppio strato

• Processo PTH (Plated Through Hole):
• Deposizione chimica di rame: Rivestimento della parete da 0,3-1μm
• Elettrodeposizione: Raggiunge 20-25μm di foro di rame (standard IPC-6012)
• Trasferimento del modello migliorato:
• Ramatura secondaria: Aumenta lo spessore a 50-70μm
• Protezione con stagno-piombo: Strato resistente alla mordenzatura (le alternative moderne utilizzano stagno puro)

Processo del nucleo del PCB multistrato (esempio a 12 strati)

• Produzione dello strato interno:

• Laminazione del nucleo→esposizione→linea DES (Develop/Etch/Strip)
• Ispezione AOI dello strato interno (tasso di difettosità <0,1%)

• Parametri di laminazione:

• Struttura del layup: Foglio di rame + prepreg (PP) + anima
• Condizioni di stampa: 180℃/400psi/120 minuti

• Tecnologia di perforazione:

• Microvias laser: 50-100μm di diametro (schede HDI)
• Foratura meccanica: 0,2 mm minimo (pannelli a 6+ strati)

• Trattamenti speciali:

• Riempimento via: Assicura l'affidabilità del rapporto d'aspetto 8:1
• Controllo dell'impedenza: tolleranza ±10% (±5% per le schede RF)

Evoluzione del processo moderno

Aggiornamenti eco-compatibili:

• Placcatura in oro senza cianuro: Galvanotecnica a impulsi
• Trattamento delle acque reflue: >95% recupero del rame

Standard di qualità (IPC-A-600G)

• Classe 2: Elettronica di consumo
• Classe 3: grado militare/medico
• Parametri chiave: Larghezza/spaziatura minima delle linee, uniformità del rame, qualità delle pareti dei fori

Processo di produzione dei PCB: Dalla progettazione all'assemblaggio

1. Progettazione di PCB

• Strumenti software: Gli strumenti CAD (ad esempio Altium Designer, KiCad, Eagle) definiscono il layout dei circuiti, le tracce e il posizionamento dei componenti.
• Output del progetto: Vengono generati i file Gerber (per la fabbricazione) e la distinta base (Bill of Materials).
• Ruolo dell'OEM: I produttori di apparecchiature originali (OEM) finalizzano il progetto prima di inviarlo ai produttori di PCB.

2. Fabbricazione di PCB

Il progetto viene trasformato in una scheda fisica attraverso:

• Incisione: Gli strati di rame vengono incisi chimicamente per formare tracce conduttive.
• Perforazione: Vengono praticati fori per vias e componenti passanti (foratura meccanica o laser).
• Laminazione: I PCB multistrato sono incollati sotto calore e pressione.
• Finitura superficiale: Le opzioni includono HASL (livellamento della saldatura ad aria calda), ENIG (oro per immersione in nichel chimico) e OSP (conservante organico della saldabilità).

3. Assemblaggio di PCB (PCBA)

I componenti vengono montati sul PCB utilizzando:

A. Tecnologia a fori passanti (THT)

• I componenti sono dotati di cavi inseriti nei fori.
• Saldatura sul lato opposto (saldatura a onda o manuale).
• Pro: Legami meccanici forti, elevata affidabilità.
• Contro: Ingombro maggiore, montaggio più lento.

B. Tecnologia a montaggio superficiale (SMT)

• I componenti vengono posizionati direttamente sulle piazzole del PCB.
• Processo:

1. Applicazione della pasta saldante: La stampa a stencil deposita la pasta sui tamponi.
2. Pick-and-Place: I robot posizionano i componenti con grande precisione.
3. Saldatura a riflusso: La scheda viene riscaldata per fondere la pasta saldante.

• Pro: Dimensioni ridotte, assemblaggio più rapido, migliore per i circuiti ad alta frequenza.
• Contro: Richiede macchinari precisi, più difficili da rilavorare.

C. Assemblaggio misto (SMT + THT)

• Alcune schede combinano entrambi i metodi (ad esempio, connettori di grandi dimensioni in THT, circuiti integrati in SMT).

4. Test e controllo qualità

• Ispezione ottica automatizzata (AOI): Controlla i difetti di saldatura.
• Test in-circuit (ICT): Convalida le prestazioni elettriche.
• Test funzionali: Assicura che il PCB funzioni come previsto.

Perché i moderni PCB preferiscono l'SMT?

• Dimensioni ridotte (consente di utilizzare dispositivi compatti come gli smartphone).
• Maggiore densità di componenti (più funzionalità per unità di superficie).
• Assemblaggio più rapido (adatto alla produzione di massa).
• Migliori prestazioni ad alta frequenza (tracce più corte riducono le EMI).

Componenti PCB e moderne tendenze di progettazione

1. Componenti essenziali della PCB

I circuiti stampati integrano diversi componenti elettronici a seconda dell'applicazione. I tipi principali includono:

2. Tecnologia di interconnessione ad alta densità (HDI)

I moderni PCB adottano sempre più spesso Progetti HDI per soddisfare le esigenze di miniaturizzazione:

Caratteristiche principali dei PCB HDI:

• Maggiore densità di cablaggio (microvasi, tracce più fini < 50µm)
• Più componenti per unità di superficie (vias impilati, vias ciechi/interrati)
• Dimensioni/peso ridotti (fondamentale per i dispositivi portatili)

domande:

• Elettronica di consumo: Smartphone, dispositivi indossabili
• Medico: Dispositivi impiantabili, strumenti diagnostici
• Automotive: ADAS, sistemi di infotainment

Vantaggi rispetto ai PCB tradizionali:

• Integrità del segnale migliorata (interconnessioni più corte riducono l'EMI)
• Consumo di energia ridotto (layout ottimizzati)
• Efficienza dei costi (meno strati necessari per la stessa funzionalità)

3. Linee guida per la selezione dei componenti

• Progetti con vincoli di spazio: Preferenza per i componenti SMT + instradamento HDI.
• Circuiti ad alta potenza: Utilizzare circuiti stampati in rame spesso con dissipatori di calore.
• Applicazioni ad alta frequenza: Selezionare materiali a bassa densità (ad esempio, substrati Rogers).

Fattori chiave della progettazione di PCB

1. Elementi fondamentali di progettazione del layout

(1) Ottimizzazione delle caratteristiche elettriche

• Larghezza della traccia: Calcolato in base al carico di corrente (ad esempio, 1oz di rame, 1A di corrente richiede una larghezza di traccia ≥0,3 mm).
• Regole di spaziatura:
• Linee di segnale: larghezza della traccia ≥3× (per evitare la diafonia).
• Linee ad alta tensione: Seguire la spaziatura standard IPC-2221.
• Via Design:
• Vias a foro passante: Diametro del foro ≥ spessore della scheda/8 (garantisce l'affidabilità della placcatura).
• Vias ciechi/interrati: Comuni nelle schede HDI (forate al laser, diametro 50-100μm).

(2) Principi di posizionamento dei componenti

• Zonizzazione funzionale: Isolare le sezioni analogica/digitale/alimentazione.
• Gestione termica: Tenere i componenti ad alto calore (ad esempio, le CPU) lontano dalle parti sensibili alla temperatura.
• DFA (Design for Assembly):
• Spaziatura dei componenti SMT ≥0,5 mm.
• Riservare una distanza di 5 mm dal bordo dell'utensile.

2. Strategie chiave per l'integrità del segnale (SI)

Suggerimenti per la progettazione ad alta frequenza:

• Controllo dell'impedenza: tolleranza ±10% (ad esempio, coppie differenziali USB a 90Ω±10%).
• Instradamento a serpentina: Per la corrispondenza della lunghezza, ampiezza ≥5× larghezza della traccia.

3. Controlli di progettazione per la producibilità (DFM)

• Verifica ingegneristica CAM:
• Traccia/spazio minimo ≥ capacità di fabbricazione (ad esempio, 4/4mil).
• Ponti della maschera di saldatura ≥0,1 mm (evita i corti di saldatura).
• Progetto di impilamento simmetrico: Impedisce la deformazione dei pannelli multistrato.

4. Sistema di test e convalida

(1) Test di produzione

• AOI (ispezione ottica automatizzata):
• Tasso di rilevamento dei difetti: 99,7% (ponti di saldatura/disallineamento).
• Precisione di scansione: 10μm @ 50MP fotocamera.
• TIC (test in circuito):
• Copertura del test >95% (tramite dispositivo a letto di chiodi).

(2) Convalida funzionale

• Screening delle sollecitazioni ambientali (ESS): cicli termici da -40℃~85℃.
• Test del diagramma a occhio di segnale: USB3.0 deve soddisfare un margine di mascheramento >20%.

5. Catena di strumenti di progettazione avanzata

• Software di simulazione:
• Analisi SI/PI: HyperLynx, Sigrity.
• Simulazione termica: Flotherm, Icepak.
• Design collaborativo:
• Integrazione ECAD-MCAD 3D.
• Controllo della versione: Git per i file di progettazione dei PCB.

Certificazioni del settore PCB

1. Certificazione UL (conformità alla sicurezza)

Organizzazione: Underwriters Laboratories Inc. (leader mondiale della scienza della sicurezza con sede negli Stati Uniti).

Tipi di certificazione:

• Elenco: Certificazione di sicurezza completa del prodotto (ad esempio, elettronica per uso finale)
• Componente riconosciuta (IF): Per componenti come i PCB (più comune per i produttori di PCB)
• Classificazione: Test specializzati per rischi specifici

Focus sull'industria dei PCB:

• I produttori devono mantenere un inventario di materiali approvati da UL (laminati di base, preimpregnati, maschere di saldatura).
• Ogni struttura certificata riceve un numero di pratica UL unico (ad esempio, E142470 di Shengtai).
• Critico per:
• Accesso al mercato nordamericano
• Protezione della responsabilità
• Qualificazione della catena di approvvigionamento

2. ISO 9001 (gestione della qualità)

Requisiti chiave:

• Standardizzazione dei processi
• Miglioramento continuo
• Metriche di soddisfazione del cliente

Implementazione del PCB:

• Applicazioni tipiche:
• Controllo di processo (tolleranza di impedenza ±5%)
• Monitoraggio del tasso di difettosità (ad esempio, <500 DPPM)
• Consegna puntuale (obiettivo >98%)

3. ISO 14001 (gestione ambientale)

Driver di conformità:

• Trattamento delle acque reflue (scarico di rame < 0,5 ppm)
• Efficienza energetica (produzione di kWh/m²)
• Controllo dell'inventario chimico

Vantaggi del mercato:

• 62% degli OEM globali richiedono la certificazione ambientale
• Consente l'accesso al mercato UE/Giappone
• Riduce le sanzioni normative del 30-40%

4. IATF 16949 (qualità automobilistica)

Requisiti specialistici:

• Implementazione della FMEA di processo
• Documentazione PPAP
• Risoluzione dei problemi 8D
• 0 ppm obiettivi di difetto

Impatto della catena di approvvigionamento:

• Obbligatorio per i fornitori di autoveicoli Tier 1/Tier 2
• Richiede indici di capacità di processo (CpK >1,67)
• Audit di sorveglianza annuali

5. Conformità RoHS (restrizioni sui materiali)

Limiti delle sostanze:

Metodi di test:

• Screening XRF
• Verifica ICP-MS
• Dichiarazioni annuali dei fornitori

6. Regolamento REACH (sicurezza chimica)

Quadro di conformità:

• 241 sostanze SVHC (al 2023)
• Segnalazione del database SCIP
• Requisiti della documentazione SDS

Sfide dell'industria dei PCB:

• Conformità del laminato senza alogeni
• Chimica del flusso di saldatura
• Formule di rivestimento conformale

Matrice della strategia di certificazione

Panoramica dei campi di applicazione dei PCB

Essendo il componente principale dei prodotti elettronici, i PCB hanno penetrato diversi settori tecnologici:

• Elettronica di consumo

• Smartphone/Tablet: Schede ad alta densità a 8-12 strati
• Casa intelligente: Moduli di controllo Wi-Fi
• Oggetti da indossare: Circuiti flessibili e pieghevoli

• Infrastruttura di comunicazione

• Stazioni base 5G: Substrati speciali ad alta frequenza
• Centri dati: Progetti di trasmissione del segnale ad alta velocità

• Elettronica automobilistica

• Veicoli convenzionali: Schede di controllo a 4-6 strati
• Veicoli elettrici: sistemi di gestione delle batterie ad alta tensione

• Attrezzature industriali

• Robotica: Progetti in rame spesso resistenti alle vibrazioni
• Automazione: Circuiti resistenti alle alte temperature

• aerospaziale

• Satelliti: Substrati speciali resistenti alle radiazioni
• Aeromobili: Progetti adatti alle temperature estreme

• Sistemi energetici

• Smart Grids: requisiti di alta affidabilità
• Energia rinnovabile: moduli di conversione ad alta potenza

Tendenze tecnologiche:

• Maggiore integrazione (miniaturizzazione dei componenti)
• Migliore progettazione termica (materiali ad alta conduttività)
• Maggiore adattabilità all'ambiente (standard di livello militare)

La tecnologia dei PCB continua a guidare l'innovazione nei dispositivi elettronici di tutti i settori.

Letture consigliate

Materiale del substrato del PCB
Classificazione PCB
Come progettare un PCB Board
Progettazione del layout della PCB