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PCB - Circuito Stampato
Un circuito stampato, in sigla PCB (acronimo del corrispondente termine inglese Printed Circuit Board) è quel componente che in un moderno circuito elettronico è adibito a fungere le seguenti funzioni principali:1. collegamento elettrico tra i vari componenti elettronici, in modo da costituire un vero e proprio circuito elettrico propriamente detto; 2. supporto meccanico per i componenti e gli accessori (dissipatori, connettori, ecc...), in modo da costituire un sistema nel quale ogni componente trova una precisa posizione geometrica. Inoltre la lavorabilità meccanica del supporto consente la sagomatura dei bordi (mediante fresatura o tranciatura) in modo da consentire l’alloggiamento meccanico del circuito stampato in contenitori anche di forma complessa. A seconda del tipo di substrato e di processo produttivo, il circuito stampato può essere definito meccanicamente "rigido" oppure "flessibile", oppure costituito da parti rigide collegate tra loro da sezioni flessibili, nel qual caso si definisce "rigido-flessibile". A seconda degli strati conduttivi presenti nel circuito stampato, si parla di circuiti "monofaccia" o "monorame" (un solo strato conduttivo); "doppia faccia"; "4 strati", e così via. Gli strati conduttivi normalmente sono presenti in numero pari ma possono essere anche dispari. Gli strati sono detti in inglese "layers". Un circuito stampato rigido a doppia faccia si compone di un substrato isolante solido, piano e di spessore costante (normalmente da 0,4 a 3,0 mm anche se gli spessori possono variare da 0,1mm a 5,0mm) costituito da materiali (normalmente FR4) aventi caratteristiche più o meno spinte di autoestinguenza nei confronti del fuoco. Questi materiali sono detti "materiali di base" (in inglese "raw material"), esistono in una vasta gamma di varietà e si distinguono essenzialmente per la diversa rigidità dielettrica, capacità di resistere alle elevate temperature e/o agli stress termici. Su entrambe le due facce esterne del substrato viene applicato, con un forte collante termoadesivo composto da tessuto di vetro impregnato di resina, uno strato di rame laminato avente spessore costante e predeterminato (normalmente 18, 35 o 70 µm, per lavorazioni di schede speciali si possono utilizzare spessori di rame da 5µm e 140µm). La piastra così ottenuta viene forata per consentire il futuro passaggio dei terminali passanti dei componenti elettronici, e soprattutto per realizzare (come illustrato in seguito) il collegamento elettrico tra i piani superiore ed inferiore. Per ricavare dal piano pieno di rame l’insieme dei soli collegamenti (detti "piste") necessari, si esegue asportazione chimica selettiva del rame in eccesso (tramite preliminare processo fotografico, eseguito solitamente con un bromografo). Il collegamento elettrico tra lo strato di rame superiore e quello inferiore avviene attraverso la metallizzazione di tutti i fori precedentemente realizzati, ovvero vengono metallizzati sia i fori dove successivamente verranno inseriti i vari componenti, sia appositi fori (detti "fori di vias") realizzati appunto al solo scopo di collegare lo strato superiore a quello inferiore; questo è reso possibile tramite un delicato processo di deposizione galvanica di rame. Tale processo viene detto processo di "metallizzazione". Per realizzare circuiti con più di due strati, si replica quanto suddetto per ciascun elemento da due strati ma senza la foratura e il processo galvanico; successivamente i vari elementi doppia faccia vengono separati da fogli isolanti di pre-preg (tessuto di vetro misto a resina) e pressati termicamente (con tempi e temperature predeterminate) fino a sciogliere le resine interne e costituire un unico circuito, da destinare quindi alla foratura e successivamente alla metallizzazione dei fori mediante deposito di rame chimico dentro i fori, fotostampa dei lati esterni e galvanica rame finale. Uno dei processi più diffusi prevede la successiva deposizione di un metallo (normalmente stagno o lega di stagno-piombo); questo ulteriore strato di metallo funziona da "metal resist", cioè protegge il rame depositato dall’asportazione successiva (incisione o "etching") che determina il tracciato finale. Le parti delle due facce esterne di rame non destinate alla successiva saldatura dei terminali dei componenti, i quali verranno poi montati sul circuito stampato, vengono protette dall’ossidazione e dai contatti elettrici indesiderati con una vernice isolante chiamata "solder resist" o "solder mask", normalmente di colore verde smeraldo (per consentire il massimo contrasto ottico con il colore arancio del rame scoperto). Infine si procede alla eventuale stampa serigrafica di scritte, diciture, disegni e altre indicazioni sul circuito stampato. Al fine di garantire che il circuito stampato non presenti anomalie elettriche, al termine di tutte le lavorazioni il circuito stampato viene testato elettricamente per verificare la funzionalità elettrica. Quando questo test verifica l’integrità di tutte le connessioni, si dice che il test è effettuato al 100%. Negli ultimi anni si è diffusa una tecnologia che prevede la foratura non più di fori passanti ("through holes"), cioè sull’intero spessore del circuito stampato, bensì di fori cosiddetti ciechi ("blind via holes"), i quali connettono una delle facce esterne a uno degli strati interni, quindi vengono praticati a profondità controllata sull’asse Z (o spessore) del circuito. Questa tecnica permette di ottenere una più alta densità di connessioni per unità di superficie e diventa quasi inevitabile quando il progettista voglia montare sul circuito stampato componenti elettronici di ultimissima generazione (ad esempio i cosiddetti microBGA). I fori ciechi di piccola dimensione vengono realizzati mediante un laser di precisione; per questo motivo si parla anche di "circuiti stampati con fori laser". La tecnologia tradizionale viene chiamata "PTH" (= Pass-Through Hole) in quanto prevede l’utilizzo di componenti dotati di lunghi terminali metallici da infilare in appositi fori del circuito stampato. Trattenuti in sede da una colla successivamente rimovibile, i componenti vengono poi saldati alle piazzole (e al foro le cui pareti sono normalmente metallizzate per rafforzare la tenuta meccanica del componente) mediante una breve massiva esposizione ad una lega saldante fusa (metodo di saldatura "ad onda"). In pratica il circuito stampato con i componenti già posizionati viene fatto lentamente scorrere sulla cresta di un’onda fissa di lega saldante fusa creata artificialmente in un apposito crogiolo. La lega saldante aderisce ("bagna") alle piazzole di rame e ai terminali metallici dei componenti, e risale lungo il foro metallizzato bagnandone le pareti e il terminale, fino ad arrivare a bagnare correttamente anche la piazzola di rame superiore. A partire dal 1960 è stata sviluppata una tecnica chiamata Surface Mounting Technology (SMT), che prevede il montaggio di componenti appositamente progettati direttamente a contatto della superficie del circuito stampato. I componenti (SMD, Surface Mounting Device) sono progettati per avere il minimo ingombro e peso possibile, ed i contatti sono costituiti dalla metallizzazione delle estremità dell’oggetto, oppure da corte terminazioni metalliche sporgenti. Un componente SMD può avere un ingombro pari ad un decimo di un componente tradizionale e costare, compreso il montaggio, fino ad un quarto. Questa fondamentale tecnologia ha consentito una vera e propria rivoluzione industriale nel mondo dei circuiti elettronici, infatti rispetto alla tecnologia tradizionale PTH, ha i seguenti vantaggi: * consente di collocare (tramite processo serigrafico) una quantità molto precisa di pasta saldante sulle piazzole di rame (dette "pads") che in seguito alloggeranno terminali di componenti; * dà la possibilità di utilizzare potenti e velocissime automazioni per collocare i componenti sul circuito stampato, riducendo l’incidenza della manodopera e quindi consentendo una maggiore economia ed una maggiore qualità; * consente di saldare i componenti elettronici alle pads tramite un processo termico (detto "a rifusione" o "reflow") molto più controllabile e meno stressante di quello usato per i componenti tradizionali (saldatura "ad onda"); * consente di usare componenti molto più miniaturizzati, riducendo drasticamente le dimensioni degli apparecchi elettronici; * riduce il numero di fori da praticare sul circuito stampato in quanto non sono più necessari i fori per alloggiare le terminazioni dei componenti (restano necessari invece i fondamentali "fori di vias" sopradefiniti). Prima del posizionamento del componente occorre depositare "mattoncini" di pasta saldante (aventi dimensioni predefinite) sulle piazzole destinate alla saldatura; ciò si ottiene normalmente per serigrafia, ossia spatolando (normalmente con macchine automatiche) la pasta saldante attraverso le aperture di uno stencil metallico giustapposto aderente al circuito stampato. La pasta saldante è costituita da una miscela di microsfere metalliche aventi una precisa distribuzione statistica di diametri (cosiddetto "tipo" della pasta), miscelate in proporzioni tali da costituire - una volta fuse assieme - una ben precisa lega. L’insieme delle microsfere viene tenuto aggregato in forma pastosa grazie alla tensione superficiale di un liquido chiamato flussante, la cui funzione è anche quella di disossidare le superficie metalliche mediante la propria vaporizzazione durante il processo di saldatura. I componenti SMD vengono commercializzati in confezioni adatte al prelievo automatizzato; in particolare si usano bobine a nastro continuo (reel) per i componenti più grandi e/o dotati di polarizzazione (ossia che devono essere montati in un preciso senso), e da piccole scatole (bulk) nel caso dei componenti più minuscoli. Una macchina automatica preleva i componenti dalle confezioni mediante apposite testine ad aria aspirante, e li depone con precisione nella loro collocazione finale sul circuito stampato. I componenti sono in genere trattenuti nella loro posizione fino alla fase di saldatura dalla viscosità dei mattoncini di pasta saldante sottostanti ai terminali del componente; in alcuni casi particolari si può anche avere un punto di colla pre-depositata sul circuito stampato (normalmente mediante processo serigrafico). Il circuito così completo di componenti viene preriscaldato e collocato in un apposito forno elettrico suddiviso in 4/5 zone, dove la temperatura e la ventilazione possono essere regolate con grande precisione. Per mezzo di un nastro trasportatore il circuito avanza lentamente nel forno attraversando aree con temperature via via crescenti. Superato il punto di fusione della lega saldante, la pasta saldante rifonde e aderisce alle superficie metalliche scoperte, realizzando così il giunto saldante vero e proprio tra il circuito stampato i e componenti elettronici SMD. In seguito il circuito attraversa zone a temperature calanti per consentire un graduale raffreddamento dei materiali. . fonte wikipedia Recupero dati |