Che cosa sono le schede a circuito stampato?

Scopo delle PCB
 

Le schede a circuito stampato, o PCB, sono strutture che contengono e collegano i circuiti elettrici. Funzionano come cervello del sistema, collegando i componenti per attivare diverse funzionalità. Le PCB possono essere chiamate anche PCA (gruppi circuito stampato) o CCA (gruppi scheda di circuito).

Le PCB sono onnipresenti nella tecnologia odierna. Rappresentano la tendenza generale della tecnologia a implementare sistemi di maggiore potenza che occupano meno spazio fisico. Pur avendo dimensioni diverse, nella progettazione del prodotto, le PCB richiedono in genere una superficie molto inferiore rispetto ad altre forme di cablaggio elettrico. Questa qualità salvaspazio delle PCB è uno dei principali punti di attrazione nello sviluppo dei prodotti moderni.

Un'altra caratteristica fondamentale delle PCB è la loro adattabilità. Grazie alla natura modulare della loro costruzione, le PCB possono essere adattate a un'ampia gamma di funzioni, a seconda del caso d'uso specifico. In definitiva, le PCB servono a collegare i circuiti elettronici, alimentando così molti dei dispositivi elettronici da cui dipendiamo oggi, dagli smartphone ai sistemi industriali.

Come vengono realizzate le PCB?

primo piano di una PCB

Fabbricazione di PCB

Composte da uno, due o più strati, le PCB vengono costruite alternando strati di un metallo conduttivo, quasi sempre rame, a uno strato isolante. I percorsi conduttivi, o tracce, vengono incisi, strato per strato, nel rame. Ciò avviene in due modi. Il primo metodo prevede la posa di una lastra di rame completa sulla scheda. Quindi, i percorsi desiderati per le tracce vengono mascherati e una macchina viene utilizzata per incidere il rame superfluo, lasciando il metallo conduttivo solo nei punti in cui il progettista intendeva che ci fossero le tracce.

In alternativa, è possibile lasciare esposti solo i percorsi delle tracce e immergere la scheda in una soluzione di rame. Con questo metodo si rivestono di rame solo le parti esposte dello strato, ottenendo lo stesso risultato finale di quello precedente. Questo secondo metodo è talvolta preferito se si devono realizzare molte PCB o molti strati di PCB, in quanto può essere più conveniente dal punto di vista dei costi, poiché i rifiuti di rame totali sono inferiori. Indipendentemente dal metodo, questo processo viene ripetuto finché non si ottiene la quantità di strati desiderata sulla scheda. L'assemblaggio completo di tutti gli strati della PCB è spesso chiamato "stack di strati" o "accumulo di strati".

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Chi è coinvolto nella progettazione di schede a circuito stampato?

Le PCB sono componenti elettronici integrali, necessari per una serie di funzionalità elettroniche. Approfondiamo alcuni dei principali attori coinvolti nella progettazione, nell'integrazione e nella produzione di PCB.

Avatar del progettista di PCB

Progettista di PCB

 

Il progettista di PCB è un ruolo specializzato nell'ambito dell'ingegneria elettronica. L'unico obiettivo di un progettista di PCB è la progettazione e la funzionalità delle schede a circuito stampato. Spesso con la conoscenza di strumenti CAD, un progettista di PCB si occupa delle fasi di schematizzazione, selezione dei componenti, layout e documentazione del processo di progettazione.

I progettisti di PCB devono conoscere a fondo la funzione della scheda che stanno progettando e sono responsabili di decisioni quali il livello di rigidità appropriato della scheda, il materiale ottimale del nucleo e altre decisioni relative ai materiali o all'organizzazione.

Avatar del progettista di PCB

Ingegnere elettronico/architetto di sistemi

 

In modo più ampio rispetto a un progettista di PCB, un ingegnere elettronico o un architetto di sistemi è responsabile della visualizzazione dell'integrazione di una PCB in un sistema elettrico nel complesso. Ciò potrebbe comportare la mappatura delle connessioni tra le PCB e gli altri ingressi, o anche la determinazione della disposizione ottimale delle schede in relazione ai requisiti di sistema.

In un'organizzazione più piccola, le funzioni di un progettista di PCB e di un ingegnere elettronico/architetto di sistemi possono essere riunite in un unico ruolo. Tuttavia, è importante operare una distinzione tra la progettazione della scheda stessa e la mappatura e la visualizzazione dell'intero sistema elettrico.

Ingegnere meccanico

 

Un ingegnere meccanico è in grado di fornire un punto di vista unico sull'adattamento complessivo dei pezzi e di dare indicazioni su come modificare un componente o un progetto per integrarlo al meglio nel design complessivo del prodotto. Il coinvolgimento di un ingegnere meccanico è fondamentale quando si tratta di integrare la PCB nel progetto complessivo del prodotto.

Un ingegnere meccanico, oltre ai ruoli sopra descritti, avrà la possibilità di capire come integrare al meglio la gestione termica nel prodotto complessivo per evitare il surriscaldamento del sistema, che è una delle principali preoccupazioni durante la progettazione e l'implementazione di PCB.

Produttore di PCB

 

Anche i produttori di PCB sono attori chiave nel processo di progettazione, integrazione e produzione di PCB. Responsabili dell'approvvigionamento dei materiali necessari per la fabbricazione delle PCB, i produttori di PCB devono essere coinvolti nelle conversazioni durante l'intero processo di progettazione, in quanto forniscono una prospettiva preziosa sulle risorse fisiche disponibili per l'esecuzione dei progetti sviluppati dalle persone che ricoprono i titoli di cui sopra.

Inoltre, la produzione di PCB rappresenta una parte significativa del budget per qualsiasi prodotto contenente PCB, soprattutto per i sistemi più complessi. Per questo motivo, i produttori di PCB rappresentano un gruppo importante da coinvolgere nelle conversazioni sui costi previsti, fondamentali quando si presenta una proposta di progetto alla direzione.

Dove vengono utilizzate le schede a circuito stampato?

Le PCB sono presenti in quasi tutti i dispositivi tecnologici moderni, dai dispositivi intelligenti personali fino ai grandi sistemi industriali. Scopri di seguito alcuni di questi settori.

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Le nostre soluzioni per schede a circuito stampato

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Glossario: definizione delle schede a circuito stampato

La terminologia delle schede a circuito stampato è molto particolare. Definiamo alcuni termini e concetti chiave relativi alla progettazione, all'integrazione e alla produzione di PCB.

Termine
Definizione
Traccia

Una traccia è un percorso conduttivo, generalmente in rame, che viene inciso sul rispettivo strato della scheda. Le tracce possono essere sia interne sia esterne. Le tracce interne ed esterne differiscono per le loro capacità di dissipazione del calore e per altre caratteristiche come la larghezza e lo spessore. Diamo un'occhiata più da vicino.

Traccia interna
Una traccia interna è contenuta in uno strato interno della scheda a circuito. Le tracce interne presentano una peggiore dissipazione del calore rispetto alle tracce esterne. Per questo motivo, è necessario prestare attenzione alla scelta della larghezza, dello spessore e dell'instradamento di queste tracce per evitare il surriscaldamento.

Traccia esterna
Al contrario, una traccia esterna si trova sulla parte superiore o sulla base della scheda. Queste tracce sono visibili quando si guarda la scheda assemblata e conferiscono alle PCB i loro caratteristici modelli a linee. Le tracce esterne offrono una migliore regolazione termica rispetto a quelle interne, grazie alla loro posizione su una superficie esposta della scheda.

Foro

Un foro in una PCB è una qualsiasi perforazione attraverso uno strato della scheda. Quest'apertura può essere realizzata mediante perforazione meccanica, rimozione laser o dissoluzione chimica. I fori strutturali possono essere realizzati per fissare i componenti fisici alla superficie della PCB o per farli passare tra gli strati. La forma specifica, le dimensioni e l'orientamento reciproco dei fori dipendono dai requisiti della scheda. 

Inoltre, i fori della PCB possono essere placcati o non placcati: 

Fori placcati
Un foro placcato è un foro che è stato realizzato e poi placcato in un metallo conduttore. Questi fori sono progettati specificamente per condurre l'elettricità.

Fori non placcati
Un foro non placcato è un foro realizzato per attraversare uno o più strati della PCB che non conducono elettricità. In genere, vengono utilizzati per scopi strutturali anziché per supportare i circuiti, in quanto non sono conduttivi.

Via

Tipo di foro placcato, le vie consentono di instradare i segnali tra gli strati della PCB. I principali tipi di vie includono:

Via a foro passante
Una via a foro passante passa dalla parte superiore della scheda fino alla base, consentendo la connettività attraverso tutti gli strati della scheda. Si tratta di una scelta efficace per la relativa facilità di produzione rispetto all'utilizzo di una combinazione di vie cieche e interrate.

Via cieca
Una via cieca si trova sullo strato superiore o sulla base della PCB. Queste vie offrono un'ulteriore connettività tra gli strati esterni della scheda e quelli interni. Ciò che si perde in spazio superficiale disponibile si guadagna in spazio interno allo strato.

Via interrata
Una via interrata si trova tra gli strati interni e convoglia il segnale attraverso uno o più strati interni. Al contrario di una via cieca, con le vie interrate si guadagna in spazio interno allo strato e in spazio superficiale disponibile.

Microvia
Una microvia è una via specializzata comunemente utilizzata sulle PCB HDI (interconnessione ad alta densità). Queste vie possono essere notevolmente più piccole di quelle tradizionali e consentono di progettare circuiti a densità più elevata, permettendo di inserire più funzionalità in meno spazio.

Keep-In/Keep-Out

Keep-in/Keep-out è un'espressione che si sente usare molto spesso quando si parla della progettazione di circuiti stampati. Si riferisce alle decisioni relative alle aree in cui è consentita o non è consentita la progettazione dei componenti sullo strato della scheda.

 

Componenti per dispositivi a montaggio superficiale (SMD)

Un componente SMD (dispositivi a montaggio superficiale) viene fissato alla superficie della scheda mediante saldatura. Questi componenti non attraversano la scheda negli strati interni come farebbe un componente a foro passante. Alcuni tipi comuni di SMD includono resistenze, induttori, transistor, condensatori, diodi e controller integrati (IC).

 

Rigidità

La rigidità determina la flessibilità di una scheda. Esiste un'ampia gamma di possibili rigidità, le cui forme più comuni sono descritte di seguito:

Rigida
Una PCB rigida è inflessibile. Ancora oggi il tipo più comune di PCB, le schede rigide sono ideali per ambienti a bassa sollecitazione e geometrie standard. Le schede rigide sono anche relativamente semplici da produrre rispetto ad altre rigidità e sono ideali per la produzione di massa.

Flessibile
Una PCB flessibile è un circuito completamente flessibile. Le PCB flessibili sono comunemente realizzate in poliimmide, una plastica altamente flessibile e resistente al calore. Le PCB flessibili sono ideali per le geometrie irregolari grazie alla loro flessibilità e si trovano comunemente in dispositivi come quelli indossabili.

Semi-rigida
Una PCB semi-rigida combina elementi di PCB rigidi e flessibili. Queste schede sono ideali grazie alla loro capacità di assorbire una soglia più alta di sollecitazione meccanica rispetto a una scheda rigida e alla loro combinazione unica di flessibilità e durata grazie all'unione di elementi rigidi e flessibili. Sebbene possano richiedere maggiori considerazioni di progettazione rispetto ad altri tipi di schede per quanto riguarda il raggio di curvatura e la sollecitazione meccanica, una volta costruite, queste schede sono eccellenti per progetti personalizzati e per tutti i casi d'uso del prodotto, sia personali sia industriali.

Prepreg

Prepreg, da "pre-impregnato", è uno strato isolante su una PCB multistrato. Generalmente realizzati in fibra di vetro impregnata di resina, gli strati prepreg sono essenziali per collegare e isolare gli strati di rame della PCB. Gli strati separati di prepreg, al di fuori del loro uso nell'assemblaggio del nucleo, non sono generalmente necessari su una scheda a singolo strato, poiché su di essa è presente un solo strato conduttivo e, pertanto, non c'è bisogno dell'ulteriore separazione degli strati fornita dai prepreg.

 

Nucleo

Il nucleo di una PCB è talvolta indicato anche come base della PCB o come substrato della scheda. I nuclei sono strati pre-stampati. Il materiale del nucleo o del substrato è inserito tra strati di fogli di rame e materiali prepreg. I nuclei sono comunemente costituiti da una miscela di fibra di vetro e resina simile ai prepreg descritti in precedenza e si trovano comunemente come nuclei/PCB "FR4". I nuclei possono anche essere realizzati o migliorati con ceramiche per ottimizzare la conduttività termica o, in alternativa, possono essere realizzati in metallo per l'uso in una PCB con nucleo in metallo che presenta ulteriori vantaggi strutturali. La scelta del nucleo dipende dal caso d'uso desiderato e dall'ambiente in cui la scheda verrà utilizzata.

 

Serigrafia

La serigrafia è lo strato superiore della PCB. È una delle ultime fasi del processo di produzione. Solitamente realizzato in bianco, lo strato serigrafico viene utilizzato per l'etichettatura, il marchio e qualsiasi altra informazione scritta necessaria sulla scheda.

 

Maschera di saldatura

Talvolta denominata anche resistenza di saldatura, la maschera di saldatura copre l'intera PCB, escludendo le aree in cui è necessario eseguire la saldatura. Solitamente di colore verde, anche se possono essere rosse o nere, le maschere di saldatura aiutano a prevenire i cortocircuiti isolando fisicamente ed elettricamente le tracce sulla scheda.

 

File Gerber

Un file Gerber è un tipo di file di produzione comune che rappresenta la modalità standard di comunicare le specifiche della scheda con un produttore.

 

File ODB++

I file ODB++ sono un altro modo per comunicare dalla progettazione alla produzione. Sono un modo efficace per comunicare le informazioni di progettazione delle PCB tra gli strumenti CAD e CAM, quindi tra i team di progettazione/ingegnerizzazione e di produzione.