Come funzionano i circuiti stampati

Scheda per supportare e collegare componenti elettronici

Da non confondere con l'elettronica stampata.

"Scheda PC" reindirizza qui. Per la scheda madre dei personal computer, vedere Scheda madre.

"Pannellizzazione" reindirizza qui. Per la strategia di layout di pagina, vedere N-up.

Un circuito stampato (PCB ), chiamato anche circuito stampato (PWB ), è una struttura sandwich laminata di strati conduttivi e isolanti, ciascuno con un modello di tracce, piani e altre caratteristiche (simili a fili su una superficie piana) incisi da uno o più strati di foglio di rame laminato su o tra strati di foglio di un substrato non conduttivo. I PCB vengono utilizzati per collegare o "cablare" i componenti tra loro in un circuito elettronico. I componenti elettrici possono essere fissati a piazzole conduttive su gli strati esterni, generalmente mediante saldatura, che collegano elettricamente e fissano meccanicamente i componenti alla scheda. Un altro processo di produzione aggiunge vias , fori praticati rivestiti in metallo che consentono interconnessioni elettriche tra strati conduttivi, a schede con più di un lato.

I circuiti stampati sono utilizzati oggi in quasi tutti i prodotti elettronici. Le alternative ai PCB includono l'avvolgimento del filo e la costruzione punto-punto, entrambi un tempo popolari ma ora usati raramente. I PCB richiedono uno sforzo di progettazione aggiuntivo per disporre il circuito, ma la produzione e l'assemblaggio possono essere automatizzati. Il software di automazione della progettazione elettronica è disponibile per svolgere gran parte del lavoro di layout. La produzione di massa di circuiti con PCB è più economica e veloce rispetto ad altri metodi di cablaggio, poiché i componenti vengono montati e cablati in un'unica operazione. È possibile fabbricare un gran numero di PCB contemporaneamente e il layout deve essere eseguito una sola volta. PCB Può essere realizzato anche manualmente in piccole quantità, con benefici ridotti. ^[2]

I PCB possono essere a lato singolo (uno strato di rame), a doppio lato (due strati di rame su entrambi i lati di uno strato di substrato) o multistrato (strati impilati di substrato con placcatura in rame inserita tra ciascuno e sugli strati esterni). I PCB multistrato forniscono una densità dei componenti molto più elevata, perché le tracce dei circuiti sugli strati interni occuperebbero altrimenti spazio superficiale tra i componenti. L'aumento della popolarità dei PCB multistrato con più di due, e soprattutto con più di quattro, piani in rame è stato in concomitanza con l'adozione della tecnologia a montaggio superficiale. Tuttavia, i PCB multistrato rendono la riparazione, l'analisi e la modifica sul campo dei circuiti molto più difficili e solitamente poco pratiche.

Il mercato mondiale dei PCB nudi ha superato i 60,2 miliardi di dollari nel 2014, ^[3] ed è stato stimato a 80,33 miliardi di dollari nel 2024, con una previsione di essere di 96,57 miliardi di dollari per il 2029, con una crescita del 4,87% all'anno. ^[4]

Prima

dello sviluppo dei circuiti stampati, i circuiti elettrici ed elettronici erano cablati punto a punto su un telaio. Tipicamente, il telaio era un telaio in lamiera o una padella, a volte con un fondo in legno. I componenti erano fissati al telaio, di solito con isolatori quando il punto di connessione sul telaio era in metallo, e poi i loro cavi venivano collegati direttamente o con ponticelli mediante saldatura, o talvolta utilizzando connettori a crimpare, capicorda su terminali a vite o altri metodi. I circuiti erano grandi, ingombranti, pesanti e relativamente fragili (anche escludendo gli involucri di vetro frangibili dei tubi a vuoto che erano spesso inclusi nei circuiti) e la produzione era ad alta intensità di manodopera, quindi i prodotti erano costosi.

Sviluppo dei metodi utilizzati nella stampa moderna I circuiti stampati sono iniziati all'inizio del 20° secolo. Nel 1903, un inventore tedesco, Albert Hanson, descrisse conduttori a lamina piatta laminati su un pannello isolante, in più strati. Thomas Edison sperimentò metodi chimici per placcare i conduttori su carta di lino nel 1904. Arthur Berry nel 1913 brevettò un metodo di stampa e incisione nel Regno Unito, e negli Stati Uniti Max Schoop ottenne un brevetto ^[5] per spruzzare a fiamma il metallo su una tavola attraverso una maschera modellata. Charles Ducas nel 1925 brevettò un metodo di galvanica dei modelli di circuiti. ^[6]

Prima dell'invenzione del circuito stampato, e simile nello spirito, fu l'Electronic Circuit Making Equipment (ECME) di John Sargrove del 1936-1947 che spruzzava metallo su una scheda di plastica bachelite. L'ECME poteva produrre tre schede radio al minuto.

I primi PCB

L'ingegnere austriaco Paul Eisler ha inventato il circuito stampato come parte di un set radiofonico mentre lavorava nel Regno Unito intorno al 1936. Nel 1941 un circuito stampato multistrato fu utilizzato nelle mine navali tedesche ad influenza magnetica.

Intorno al 1943 gli Stati Uniti iniziarono a utilizzare la tecnologia su larga scala per realizzare spolette di prossimità da utilizzare nella seconda guerra mondiale. ^[6] Tali spolette richiedevano un circuito elettronico in grado di resistere allo sparo di una pistola e potevano essere prodotte in quantità. La Divisione Centralab della Globe Union presentò una proposta che soddisfaceva i requisiti: una lastra di ceramica sarebbe stata serigrafata con vernice metallica per i conduttori e materiale di carbonio per i resistori, con condensatori a disco ceramico e tubi a vuoto subminiaturizzati saldati in posizione. ^[7] La tecnica si dimostrò praticabile e il brevetto risultante sul processo, che fu classificato dall'esercito degli Stati Uniti, fu assegnato alla Globe Union. Solo nel 1984 l'Istituto degli ingegneri elettrici ed elettronici (IEEE) ha assegnato a Harry W. Rubinstein il Cledo Brunetti Award per i primi contributi chiave allo sviluppo di componenti e conduttori stampati su un substrato isolante comune. Rubinstein è stato onorato nel 1984 dalla sua alma mater, l'Università del Wisconsin-Madison, per le sue innovazioni nella tecnologia dei circuiti elettronici stampati e nella fabbricazione di condensatori. ^{[8] [9]} Questa invenzione rappresenta anche un passo avanti nello sviluppo della tecnologia dei circuiti integrati, poiché non solo il cablaggio ma anche i componenti passivi sono stati fabbricati sul substrato ceramico.

Sviluppi del dopoguerra

Nel 1948, gli Stati Uniti rilasciarono l'invenzione per uso commerciale. I circuiti stampati non divennero comuni nell'elettronica di consumo fino alla metà degli anni '50, dopo che il processo Auto-Sembly fu sviluppato dall'esercito degli Stati Uniti. Più o meno nello stesso periodo nel Regno Unito si lavorava in modo simile da Geoffrey Dummer, poi alla RRDE.

Motorola fu uno dei primi leader nel portare il processo nell'elettronica di consumo, annunciando nell'agosto 1952 l'adozione di "circuiti placcati" nelle radio domestiche dopo sei anni di ricerca e un investimento di 1 milione di dollari. ^[10] Motorola iniziò presto a utilizzare il suo termine registrato per il processo, PLAcir, nelle sue pubblicità radiofoniche di consumo. ^[11] Hallicrafters rilasciò il suo primo prodotto di circuito stampato "foto-etch", una radiosveglia, il 1 novembre 1952. ^[12]

Anche quando i circuiti stampati divennero disponibili, il metodo di costruzione del telaio punto-punto rimase di uso comune nell'industria (come TV e apparecchi hi-fi) almeno fino alla fine degli anni '60. I circuiti stampati furono introdotti per ridurre le dimensioni, il peso e il costo delle parti dei circuiti. Nel 1960, un piccolo ricevitore radio di consumo potrebbe essere costruito con tutti i suoi circuiti su un circuito stampato, ma un televisore probabilmente conterrebbe uno o più circuiti stampati.

Originariamente, ogni componente elettronico aveva cavi e un PCB aveva fori praticati per ogni filo di ciascun componente. I cavi dei componenti sono stati quindi inseriti attraverso i fori e saldati alle tracce PCB in rame. Questo metodo di assemblaggio è chiamato costruzione a foro passante. Nel 1949, Moe Abramson e Stanislaus F. Danko dell'United States Army Signal Corps svilupparono il processo Auto-Sembly in cui i cavi dei componenti venivano inseriti in un modello di interconnessione a lamina di rame e saldati a immersione. Il brevetto ottenuto nel 1956 fu assegnato all'esercito degli Stati Uniti. ^[13] Con lo sviluppo delle tecniche di laminazione e incisione dei schedi, questo concetto si è evoluto nel processo di fabbricazione standard dei circuiti stampati in uso oggi. La saldatura potrebbe essere eseguita automaticamente passando la scheda su un'ondulazione, o onda, di saldatura fusa in una saldatura ad onda macchina. Tuttavia, i fili e i fori sono inefficienti poiché la perforazione dei fori è costosa e consuma punte da trapano e i fili sporgenti vengono tagliati e scartati.

Dagli anni '80 in poi, le piccole parti a montaggio superficiale sono state utilizzate sempre più spesso al posto dei componenti a foro passante; questo ha portato a schede più piccole per una data funzionalità e costi di produzione inferiori, ma con qualche difficoltà aggiuntiva nella manutenzione delle schede difettose.

Negli anni '90 l'uso di schede di superficie multistrato è diventato più frequente. Di conseguenza, le dimensioni sono state ulteriormente ridotte al minimo e sia i PCB flessibili che quelli rigidi sono stati incorporati in diversi dispositivi. Nel 1995 i produttori di PCB hanno iniziato a utilizzare la tecnologia microvia per produrre PCB di interconnessione ad alta densità (HDI). ^[14]

Progressi recenti

I recenti progressi nella stampa 3D hanno fatto sì che ci siano diverse nuove tecniche nei PCB creation. 3D l'elettronica stampata (PE) può essere utilizzata per Stampa gli articoli strato per strato e successivamente l'articolo può essere stampato con un inchiostro liquido che contiene funzionalità elettroniche.

La tecnologia HDI (High Density Interconnect) consente un design più denso sul PCB e quindi PCB potenzialmente più piccoli con più tracce e componenti in una determinata area. Di conseguenza, i percorsi tra i componenti possono essere più brevi. Gli HDI utilizzano vie cieche/interrate o una combinazione che include microvie. Con i PCB HDI multistrato è possibile rafforzare l'interconnessione di più vie impilate l'una sull'altra (vie impilate, invece di una via interrata in profondità), migliorando così l'affidabilità in tutte le condizioni. Le applicazioni più comuni per la tecnologia HDI sono i componenti di computer e telefoni cellulari, nonché le apparecchiature mediche e le apparecchiature di comunicazione militari. Un PCB microvia HDI a 4 strati è di qualità equivalente a un PCB a foro passante a 8 strati, quindi la tecnologia HDI può ridurre i costi. I PCB HDI sono spesso realizzati utilizzando build-up come il film di accumulo ajinomoto, che viene utilizzato anche nella produzione di pacchetti flip chip. ^{[15] [16]} Alcuni PCB hanno guide d'onda ottiche, simili alle fibre ottiche costruite sul PCB. ^[17]

Composizione

Un PCB di base è costituito da un foglio piatto di materiale isolante e da uno strato di lamina di rame, laminato al substrato. L'incisione chimica divide il rame in linee conduttive separate chiamate tracce o tracce di circuito , piazzole per le connessioni, vie per far passare le connessioni tra strati di rame e caratteristiche come aree conduttive solide per la schermatura elettromagnetica o altri scopi. I binari funzionano come fili fissati in posizione e sono isolati l'uno dall'altro dall'aria e dal materiale del substrato del pannello. La superficie di un PCB può avere un rivestimento che protegge il rame dalla corrosione e riduce le possibilità di cortocircuiti di saldatura tra tracce o contatto elettrico indesiderato con fili scoperti vaganti. Per la sua funzione nell'aiutare a prevenire i cortocircuiti di saldatura, il rivestimento è chiamato solder resist o maschera di saldatura.

Il modello da incidere su ogni strato di rame di un PCB è chiamato "opera d'arte". L'incisione viene solitamente eseguita utilizzando un fotoresist che viene rivestito sul PCB, quindi esposto alla luce proiettata nel modello dell'opera d'arte. Il materiale resist protegge il rame dalla dissoluzione nella soluzione di mordenzatura. La tavola incisa viene quindi pulita. Un progetto PCB può essere riprodotto in massa in modo simile al modo in cui le fotografie possono essere duplicate in massa dai negativi delle pellicole utilizzando una stampante fotografica.

La resina epossidica FR-4glass è il substrato isolante più comune. Un altro materiale di substrato è la carta di cotone impregnata di resina fenolica, spesso marrone chiaro o marrone.

Quando un PCB non ha componenti installati, viene chiamato in modo meno ambiguo una scheda di cablaggio stampata ( PWB ) o scheda di cablaggio incisa . ^[18] Tuttavia, il termine "scheda di cablaggio stampata" è caduto in disuso. Un PCB popolato con componenti elettronici è chiamato assemblaggio di circuiti stampati (PCA ), assemblaggio di circuiti stampati o assemblaggio PCB (PCBA ). Nell'uso informale, il termine "circuito stampato" significa più comunemente "assemblaggio di circuiti stampati" (con componenti). Il termine preferito dall'IPC per una scheda assemblata è assemblaggio di schede di circuito (CCA ), ^[19] e per un backplane assemblato è assemblaggio di backplane . "Card" è un altro termine informale ampiamente usato per indicare un "assemblaggio di circuiti stampati". Ad esempio, la scheda di espansione.

Un PCB può essere stampato con una legenda che identifica i componenti, i punti di prova o il testo identificativo. In origine, la serigrafia veniva utilizzata per questo scopo, ma oggi altri metodi di stampa di qualità più fine sono solitamente usati. Normalmente la legenda non influisce sul funzionamento di un PCBA.

Strati

: un circuito stampato può avere più strati di rame, che quasi sempre sono disposti a coppie. Il numero di strati e l'interconnessione progettata tra di essi (vias, PTH) forniscono una stima generale della complessità della scheda. L'utilizzo di più livelli consente più opzioni di instradamento e un migliore controllo dell'integrità del segnale, ma richiede anche molto tempo e denaro da produrre. Allo stesso modo, la selezione dei via per la scheda consente anche la messa a punto delle dimensioni della scheda, l'escape dei segnali da circuiti integrati complessi, l'instradamento e l'affidabilità a lungo termine, ma sono strettamente associati alla complessità e ai costi di produzione.

Una delle schede più semplici da produrre è la scheda a due strati. Ha rame su entrambi i lati che vengono indicati come strati esterni; Le schede multistrato racchiudono strati interni aggiuntivi di rame e isolamento. Dopo due strati PCB, il passo successivo è il quattro strati. La scheda a quattro strati aggiunge molte più opzioni di routing negli strati interni rispetto alla scheda a due strati, e spesso una parte degli strati interni viene utilizzata come piano di massa o piano di alimentazione, per ottenere una migliore integrità del segnale, frequenze di segnalazione più elevate, EMI più basse e un migliore disaccoppiamento dell'alimentatore.

Nelle schede multistrato, gli strati di materiale sono laminati insieme in un sandwich alternato: rame, substrato, rame, substrato, rame, ecc.; ogni piano di rame viene inciso e tutte le vie interne (che non si estenderanno a entrambe le superfici esterne della scheda multistrato finita) vengono placcate, prima che gli strati vengano laminati insieme. Solo gli strati esterni devono essere rivestiti; Gli strati interni di rame sono protetti dagli strati di substrato adiacenti.

Montaggio

dei componenti

I componenti "a foro passante" sono montati dai loro conduttori che passano attraverso la scheda e saldati alle tracce sull'altro lato. I componenti "a montaggio superficiale" sono fissati tramite i loro cavi a tracce di rame sullo stesso lato della scheda. Una scheda può utilizzare entrambi i metodi per il montaggio dei componenti. I PCB con solo componenti montati a foro passante sono ora rari. Il montaggio superficiale viene utilizzato per transistor, diodi, chip IC, resistori e condensatori. Il montaggio a foro passante può essere utilizzato per alcuni componenti di grandi dimensioni come condensatori elettrolitici e connettori.

I primi PCB utilizzavano la tecnologia a foro passante, montando i componenti elettronici tramite piombo inserito attraverso fori su un lato della scheda e saldato su tracce di rame sull'altro lato. Le schede possono essere a lato singolo, con un lato componente non placcato, o schede a doppia faccia più compatte, con componenti saldati su entrambi i lati. Installazione orizzontale di parti a foro passante con due I conduttori assiali (come resistori, condensatori e diodi) vengono eseguiti piegando i conduttori di 90 gradi nella stessa direzione, inserendo la parte nella scheda (spesso piegando i conduttori situati sul retro della scheda in direzioni opposte per migliorare la resistenza meccanica della parte), saldando i cavi e tagliando le estremità. I cavi possono essere saldati manualmente o da una saldatrice ad onda. ^[20]

La tecnologia a montaggio superficiale è emersa negli anni '60, ha guadagnato slancio nei primi anni '80 ed è diventata ampiamente utilizzata a metà degli anni '90. I componenti sono stati riprogettati meccanicamente per avere piccole linguette metalliche o cappucci terminali che potevano essere saldati direttamente sulla superficie del PCB, invece di cavi per passare attraverso i fori. I componenti sono diventati molto più piccoli e il posizionamento dei componenti su entrambi i lati della scheda è diventato più comune rispetto al montaggio a foro passante, consentendo assemblaggi PCB molto più piccoli con densità di circuito molto più elevate. Montaggio a parete Si presta bene ad un alto grado di automazione, riducendo i costi di manodopera e aumentando notevolmente i tassi di produzione rispetto ai circuiti stampati a foro passante. I componenti possono essere forniti montati su nastri di supporto. I componenti a montaggio superficiale possono essere circa da un quarto a un decimo delle dimensioni e del peso dei componenti a foro passante e i componenti passivi molto più economici. Tuttavia, i prezzi dei dispositivi a montaggio superficiale (SMD) a semiconduttore sono determinati più dal chip stesso che dal pacchetto, con un vantaggio di prezzo minimo rispetto a pacchetti più grandi, e alcuni componenti wire-ended, come i diodi di commutazione a piccolo segnale 1N4148, sono in realtà significativamente più economici degli equivalenti SMD.

Proprietà elettriche

Ogni traccia è costituita da una parte piatta e stretta della lamina di rame che rimane dopo l'incisione. La sua resistenza, determinata dalla larghezza, dallo spessore e dalla lunghezza, deve essere sufficientemente bassa per la corrente che il conduttore trasporterà. Alimentazione e terra Potrebbe essere necessario che le tracce siano più larghe delle tracce del segnale. In una scheda multistrato, un intero strato può essere per lo più in rame solido per fungere da piano di massa per la schermatura e il ritorno di potenza. Per i circuiti a microonde, le linee di trasmissione possono essere disposte in una forma planare come stripline o microstrip con dimensioni attentamente controllate per garantire un'impedenza costante. Nei circuiti a radiofrequenza e a commutazione rapida l'induttanza e la capacità dei conduttori del circuito stampato diventano elementi circuitali significativi, solitamente indesiderati; Al contrario, possono essere utilizzati come parte deliberata della progettazione del circuito, come nei filtri, nelle antenne e nei fusibili a elementi distribuiti, ovviando alla necessità di componenti discreti aggiuntivi. I PCB con interconnessioni ad alta densità (HDI) hanno tracce o vie con una larghezza o un diametro inferiore a 152 micrometri. ^[21]

Materiali

Laminati

I laminati sono prodotti mediante polimerizzazione strati di stoffa o carta con resina termoindurente sotto pressione e calore per formare un pezzo finale integrale di spessore uniforme. Possono essere fino a 4 x 8 piedi (1,2 x 2,4 m) di larghezza e lunghezza. Per ottenere lo spessore finale e le caratteristiche dielettriche desiderate, vengono utilizzate trame di tessuto variabili (fili per pollice o cm), spessore del tessuto e percentuale di resina. Gli spessori standard del laminato disponibili sono elencati in ANSI/IPC-D-275. ^[22]

Il materiale in tessuto o fibra utilizzato, il materiale in resina e il rapporto tessuto/resina determinano la designazione del tipo di laminato (FR-4, CEM-1, G-10, ecc.) e quindi le caratteristiche del laminato prodotto. Caratteristiche importanti sono il livello al quale il laminato è ignifugo, la costante dielettrica (e _r ), la tangente di perdita (tan δ), la resistenza alla trazione, la resistenza al taglio, la temperatura di transizione vetrosa (T _g ) e l'espansione dell'asse Z coefficiente (quanto cambia lo spessore con la temperatura).

Esistono diversi dielettrici che possono essere scelti per fornire valori di isolamento diversi a seconda dei requisiti del circuito. Alcuni di questi dielettrici sono il politetrafluoroetilene (Teflon), FR-4, FR-1, CEM-1 o CEM-3. I materiali pre-impregnati ben noti utilizzati nell'industria dei PCB sono FR-2 (carta di cotone fenolica), FR-3 (carta di cotone e resina epossidica), FR-4 (vetro intrecciato ed epossidico), FR-5 (vetro intrecciato ed epossidico), FR-6 (vetro opaco e poliestere), G-10 (vetro intrecciato ed epossidico), CEM-1 (carta di cotone ed epossidica), CEM-2 (carta di cotone ed epossidica), CEM-3 (vetro non tessuto ed epossidico), CEM-4 (vetro intrecciato ed epossidico), CEM-5 (vetro intrecciato e poliestere). L'espansione termica è una considerazione importante, soprattutto con le tecnologie BGA (Ball Grid Array) e naked die, e la fibra di vetro offre la migliore stabilità dimensionale.

L'FR-4 è di gran lunga il materiale più comunemente utilizzato oggi. Il cartoncino con rame non inciso su di esso è chiamato "laminato rivestito di rame".

Con la diminuzione delle dimensioni delle caratteristiche della scheda e l'aumento delle frequenze, piccole disomogeneità come la distribuzione irregolare della fibra di vetro o di altri riempitivi, le variazioni di spessore e le bolle nella matrice di resina e le variazioni locali associate alla costante dielettrica, stanno acquisendo importanza.

I substrati dei circuiti stampati sono solitamente materiali compositi dielettrici. I compositi contengono una matrice (di solito una resina epossidica) e un rinforzo (di solito un tessuto, a volte non tessuto, fibre di vetro, a volte anche carta), e in alcuni casi viene aggiunto un riempitivo alla resina (ad esempio ceramica; la ceramica titanato può essere utilizzata per aumentare la costante dielettrica).

Il tipo di armatura definisce due grandi classi di materiali: tessuto e non tessuto. I rinforzi intrecciati sono più economici, ma l'elevata costante dielettrica di Il vetro potrebbe non essere favorevole per molte applicazioni ad alta frequenza. La struttura spazialmente non omogenea introduce anche variazioni locali nei parametri elettrici, a causa del diverso rapporto resina/vetro in diverse aree del modello di intreccio. I rinforzi in tessuto non tessuto, o i materiali con rinforzo basso o nullo, sono più costosi ma più adatti per alcune applicazioni RF/analogiche.

I substrati sono caratterizzati da diversi parametri chiave, principalmente termomeccanici (temperatura di transizione vetrosa, resistenza alla trazione, resistenza al taglio, dilatazione termica), elettrici (costante dielettrica, tangente di perdita, tensione di rottura dielettrica, corrente di dispersione, resistenza di tracciamento...) e altri (ad es. assorbimento di umidità).

Alla temperatura di transizione vetrosa la resina nel composito si ammorbidisce e aumenta significativamente l'espansione termica; superando T _g esercita quindi un sovraccarico meccanico sui componenti del pannello, ad esempio i giunti e il Vias. Al di sotto di T _g l'espansione termica della resina corrisponde all'incirca al rame e al vetro, al di sopra diventa significativamente più alta. Poiché l'armatura e il rame confinano la scheda lungo il piano, praticamente tutta l'espansione del volume sporge allo spessore e sollecita i fori passanti placcati. Saldature ripetute o altre esposizioni a temperature più elevate possono causare il cedimento della placcatura, soprattutto con schede più spesse; I pannelli spessi richiedono quindi una matrice con un alto T _g .

I materiali utilizzati determinano la costante dielettrica del substrato. Questa costante dipende anche dalla frequenza, che di solito diminuisce con la frequenza. Poiché questa costante determina la velocità di propagazione del segnale, la dipendenza dalla frequenza introduce una distorsione di fase nelle applicazioni a banda larga; In questo caso è importante che si tratti di una costante dielettrica piatta rispetto alle caratteristiche di frequenza. L'impedenza delle linee di trasmissione diminuisce con la frequenza, quindi I fronti più veloci dei segnali riflettono più di quelli più lenti.

La tensione di rottura dielettrica determina il gradiente di tensione massimo a cui il materiale può essere sottoposto prima di subire una rottura (conduzione, o arco, attraverso il dielettrico).

La resistenza di inseguimento determina il modo in cui il materiale resiste alle scariche elettriche ad alta tensione che si insinuano sulla superficie della scheda.

La

tangente di perdita determina quanta dell'energia elettromagnetica dai segnali nei conduttori viene assorbita nel materiale della scheda. Questo fattore è importante per le alte frequenze. I materiali a bassa perdita sono più costosi. La scelta di materiale a bassa perdita inutilmente bassa è un errore ingegneristico comune nella progettazione digitale ad alta frequenza; Aumenta il costo delle schede senza un beneficio corrispondente. La degradazione del segnale per tangente di perdita e costante dielettrica può essere facilmente valutata da un modello a occhio.

L'assorbimento di umidità si verifica quando il materiale è esposto a elevata umidità o acqua. Sia la resina che l'armatura possono assorbire acqua; L'acqua può anche essere assorbita da forze capillari attraverso vuoti nei materiali e lungo l'armatura. Le resine epossidiche dei materiali FR-4 non sono troppo sensibili, con un assorbimento di solo lo 0,15%. Il teflon ha un assorbimento molto basso, pari allo 0,01%. Le poliimmidi e gli esteri cianati, d'altra parte, soffrono di un elevato assorbimento d'acqua. L'acqua assorbita può portare a un significativo degrado dei parametri chiave; Compromette la resistenza di tracciamento, la tensione di rottura e i parametri dielettrici. La costante dielettrica relativa dell'acqua è di circa 73, rispetto a circa 4 per i comuni materiali dei circuiti stampati. L'umidità assorbita può anche vaporizzare durante il riscaldamento, come durante la saldatura, e causare crepe e delaminazione, ^[23] lo stesso effetto responsabile del danno da "popcorning" sull'imballaggio bagnato delle parti elettroniche. Potrebbe essere necessaria un'attenta cottura dei substrati per asciugarli prima di saldatura. ^[24]

Materiali

che si incontrano spesso:

• FR-2, carta fenolica o carta di cotone fenolico, carta impregnata con una resina fenolica formaldeide. Comune nell'elettronica di consumo con schede monofacciali. Proprietà elettriche inferiori a FR-4. Scarsa resistenza all'arco. Generalmente valutato a 105 °C.
• FR-4, un tessuto in fibra di vetro impregnato con una resina epossidica. Basso assorbimento d'acqua (fino a circa lo 0,15%), buone proprietà isolanti, buona resistenza all'arco. Molto comune. Sono disponibili diversi gradi con proprietà leggermente diverse. Tipicamente valutato a 130 °C.
• Alluminio, o pannello con anima metallica o substrato metallico isolato (IMS), rivestito con dielettrico sottile termicamente conduttivo - utilizzato per parti che richiedono un raffreddamento significativo - interruttori di alimentazione, LED. È costituito da circuiti stampati sottili a strato singolo, a volte a doppio strato basati ad esempio su FR-4, laminato su lamiera di alluminio, comunemente di spessore 0,8, 1, 1,5, 2 o 3 mm. I laminati più spessi a volte sono dotati anche di metallizzazione del rame più spessa. ^{[25] [26]}
• Substrati flessibili - possono essere una lamina di rame autonoma o possono essere laminati a un sottile rinforzo, ad esempio 50-130 μm

Materiali meno frequenti:

• FR-1, come FR-2, tipicamente specificato a 105 °C, alcuni gradi classificati a 130 °C. Perforabile a temperatura ambiente. Simile al cartone. Scarsa resistenza all'umidità. Bassa resistenza all'arco.
• FR-3, carta di cotone impregnata di resina epossidica. Tipicamente valutato a 105 °C.
• FR-5, fibra di vetro tessuta ed epossidica, ad alta resistenza a temperature più elevate, tipicamente specificata a 170 °C.
• FR-6, vetro opaco e poliestere
• G-10, vetro intrecciato ed epossidico - elevata resistenza di isolamento, basso assorbimento di umidità, altissima adesione forza. Tipicamente valutato a 130 °C.
• G-11, vetro intrecciato ed epossidico - elevata resistenza ai solventi, elevata ritenzione della resistenza alla flessione alle alte temperature. ^[29] Tipicamente valutato a 170 °C.
• CEM-1, carta di cotone ed epossidica
• CEM-2, carta di cotone ed epossidica
• CEM-3, vetro non tessuto ed epossidica
• CEM-4, vetro intrecciato ed epossidico
• CEM-5, vetro intrecciato e poliestere
• PTFE, ("Teflon") - costoso, bassa perdita dielettrica, per applicazioni ad alta frequenza, bassissimo assorbimento di umidità (0,01%), meccanicamente morbido. Difficile da laminare, raramente utilizzato in applicazioni multistrato.
• PTFE, caricato con ceramica - costoso, bassa perdita dielettrica, per applicazioni ad alta frequenza. La variazione del rapporto ceramica/PTFE consente di regolare la costante dielettrica e l'espansione termica.
• RF-35, PTFE caricato con ceramica rinforzata con fibra di vetro. Relativamente meno costoso, buona meccanica buone proprietà ad alta frequenza. ^{[30] [31]}
• Allumina, una ceramica. Duro, fragile, molto costoso, prestazioni molto elevate, buona conducibilità termica.
• Poliimmide, un polimero ad alta temperatura. Costoso, ad alte prestazioni. Maggiore assorbimento d'acqua (0,4%). Può essere utilizzato da temperature criogeniche a oltre 260 °C.

Spessore del rame

:

lo spessore del rame dei PCB può essere specificato direttamente o come peso del rame per area (in once per piede quadrato), che è più facile da misurare. Un'oncia per piede quadrato ha uno spessore di 1,344 mil o 34 micrometri. Il rame pesante è uno strato che supera le tre once di rame per piede ² , o circa 0,0042 pollici (4,2 mil, 105 μm) di spessore. Gli strati di rame pesanti vengono utilizzati per correnti elevate o per aiutare a dissipare il calore.

Sui comuni substrati FR-4, 1 oz di rame per piede ² (35 μm) è lo spessore più comune; Lo spessore di 2 once (70 μm) e 0,5 once (17,5 μm) è spesso un'opzione. Meno comuni sono i 12 e i 105 μm, 9 μm sono talvolta disponibili su alcuni substrati. I substrati flessibili hanno in genere una metallizzazione più sottile. Le schede con anima metallica per dispositivi ad alta potenza utilizzano comunemente rame più spesso; 35 μm è usuale, ma si possono incontrare anche 140 e 400 μm.

Negli Stati Uniti, lo spessore della lamina di rame è specificato in unità di once per piede quadrato (oz/ft ² ), comunemente indicato semplicemente come oncia . Gli spessori comuni sono 1/2 oz/ft ² (150 g/m ² ), 1 oz/ft ² (300 g/m ² ), 2 oz/ft ² (600 g/m ² ) e 3 oz/ft ² (900 g/m ² ). Questi si traducono in spessori di 17,05 μm (0,67 thou), 34,1 μm (1,34 thou), 68,2 μm (2,68 thou) e 102,3 μm (4,02 thou), rispettivamente.

oz/ft 2	g/m 2	μm	thou
1/2 oz/ft 2	150 g/m 2	17.05 μm	0.67 thou
1 oz/ft 2	300 g/m 2	34.1 μm	1.34 thou
2 oz/ft 2	600 g/m 2	68.2 μm	2,68 Io
3 oz/ft 2	900 g/m 2	102,3 μm	4,02 Oh

1/2 oz/ft ² La lamina non è ampiamente utilizzata come peso di rame finito, ma viene utilizzata per gli strati esterni quando la placcatura per i fori passanti aumenterà il peso di rame finito Alcuni produttori di PCB si riferiscono a 1 oz/ft ² fogli di rame con uno spessore di 35 μm (può anche essere indicato come 35 μ, 35 micron o 35 mic).

• 1/0 – indica 1 oz/ft ² rame su un lato, senza rame sull'altro lato.
• 1/1 – indica 1 oz/ft ² rame su entrambi i lati.
• H/0 o H/H – indica 0,5 oz/ft ² rame su uno o entrambi i lati, rispettivamente.
• 2/0 o 2/2 – indica 2 oz/ft ² rame su uno o entrambi i lati, rispettivamente.

Articolo

principale: Produzione di circuiti stampati

La produzione di circuiti stampati comporta la produzione di circuiti stampati nudi e quindi il loro popolamento con componenti elettronici. Nella produzione di schede su larga scala, più PCB sono raggruppati su un unico pannello per un'elaborazione efficiente. Dopo l'assemblaggio, vengono separati (depannellati).

Tipi

Per ulteriori informazioni: Schede

di breakout

monoboard

Un PCB minimale per un singolo componente, utilizzato per la prototipazione, è chiamato scheda di breakout . Lo scopo di una scheda breakout è quello di "rompere" i conduttori di un componente su terminali separati in modo che i collegamenti manuali ad essi possano essere effettuati facilmente. Le schede breakout sono particolarmente utilizzate per componenti a montaggio superficiale o per qualsiasi componente con passo del conduttore fine.

I PCB avanzati possono contenere componenti incorporati nel substrato, come condensatori e circuiti integrati, per ridurre la quantità di spazio occupato dai componenti sulla superficie del PCB, migliorando al contempo le caratteristiche elettriche. ^[32]

Schede multifilo Multiwire

Multiwire è una tecnica brevettata di interconnessione che utilizza fili isolati instradati a macchina incorporati in una matrice non conduttiva (spesso resina plastica). ^[33] È stato utilizzato durante gli anni '80 e '90. A partire dal 2010, ^{[aggiornamento]} Multiwire è ancora disponibile tramite Hitachi.

Poiché era abbastanza facile impilare le interconnessioni (fili) all'interno della matrice di incorporamento, l'approccio ha permesso ai progettisti di dimenticare completamente l'instradamento dei fili (di solito un'operazione che richiede tempo nella progettazione di PCB): ovunque il progettista abbia bisogno di una connessione, la macchina disegnerà un filo in linea retta da una posizione/pin all'altra. Ciò ha portato a tempi di progettazione molto brevi (nessun algoritmo complesso da utilizzare anche per progetti ad alta densità) e a una riduzione della diafonia (che è peggio quando i fili corrono paralleli l'uno all'altro, cosa che non accade quasi mai in Multiwire), anche se il costo è troppo alto per competere con le tecnologie PCB più economiche quando sono necessarie grandi quantità.

Le correzioni possono essere apportate al layout di una scheda Multiwire più facilmente che a un layout PCB. ^[34]

La costruzione in

cordwood

può far risparmiare spazio significativo ed è stata spesso utilizzata con componenti wire-ended in applicazioni in cui lo spazio era prezioso (come spolette per missili, sistemi di guida missilistica e telemetria) e in computer ad alta velocità, dove brevi tracce erano importanti. Nella costruzione in cordwood, i componenti con conduttori assiali erano montati tra due piani paralleli. Il nome deriva dal modo in cui i componenti a piombo assiale (condensatori, resistori, bobine e diodi) sono impilati in file e colonne parallele, come una catasta di legna da ardere. I componenti sono stati saldati insieme con un ponticello o sono stati collegati ad altri componenti da un sottile nastro di nichel saldato ad angolo retto sui cavi dei componenti. ^[35] Per evitare di cortocircuitare insieme diversi strati di interconnessione, sono state posizionate sottili schede isolanti tra di loro. Perforazioni o buchi nelle carte Il componente consentito porta al progetto fino al livello di interconnessione successivo. Uno svantaggio di questo sistema era che era necessario utilizzare speciali componenti al piombo di nichel per consentire saldature di interconnessione affidabili. L'espansione termica differenziale del componente potrebbe esercitare pressione sui cavi dei componenti e sulle tracce del PCB e causare danni meccanici (come si è visto in diversi moduli del programma Apollo). Inoltre, i componenti situati all'interno sono difficili da sostituire. Alcune versioni della costruzione in cordwood utilizzavano PCB saldati a lato singolo come metodo di interconnessione (come nella foto), consentendo l'uso di componenti con conduttori normali al costo di rendere difficile la rimozione delle schede o la sostituzione di qualsiasi componente che non si trova sul bordo.

Prima dell'avvento dei circuiti integrati, questo metodo consentiva la massima densità di impacchettamento dei componenti possibile; per questo motivo, era utilizzato da un certo numero di fornitori di computer, tra cui Società di dati di controllo.

Utilizzi

I circuiti stampati sono stati utilizzati come alternativa al loro tipico utilizzo per l'ingegneria elettronica e biomedica grazie alla versatilità dei loro strati, in particolare dello strato di rame. Gli strati di PCB sono stati utilizzati per fabbricare sensori, come sensori di pressione capacitivi e accelerometri, attuatori come microvalvole e microriscaldatori, nonché piattaforme di sensori e attuatori per Lab-on-a-chip (LoC), ad esempio per eseguire la reazione a catena della polimerasi (PCR), e celle a combustibile, solo per citarne alcuni. ^[36]

I

produttori potrebbero non supportare la riparazione a livello di componente dei circuiti stampati a causa del costo relativamente basso della sostituzione rispetto al tempo e al costo della risoluzione dei problemi a livello di componente. Nella riparazione a livello di scheda, il tecnico identifica la scheda (PCA) su cui risiede il guasto e la sostituisce. Questo cambiamento è Economicamente efficiente dal punto di vista di un produttore, ma è anche materialmente dispendioso, poiché un circuito stampato con centinaia di componenti funzionali può essere scartato e sostituito a causa del guasto di una parte minore ed economica, come un resistore o un condensatore. Questa pratica contribuisce in modo significativo al problema dei rifiuti elettronici. ^[37]

In

molti paesi (compresi tutti i partecipanti al mercato unico europeo, ^[38], Regno Unito, ^[39] Turchia e Cina), la legislazione limita l'uso di piombo, cadmio e mercurio nelle apparecchiature elettriche. I PCB venduti in tali paesi devono quindi utilizzare processi di produzione senza piombo e saldature prive di piombo e i componenti collegati devono essere conformi. ^{[40] [41]}

Lo standard di sicurezza UL 796 copre i requisiti di sicurezza dei componenti per le schede di cablaggio stampate da utilizzare come componenti in dispositivi o apparecchiature. I test analizzano caratteristiche quali l'infiammabilità, la temperatura massima di esercizio, l'inseguimento elettrico, la deflessione del calore e il supporto diretto di parti elettriche sotto tensione.

Vedi anche

Riferimenti

Ulteriori letture