Progettazione PCB: un viaggio alla scoperta dei circuiti stampati

Un PCB non è solo una struttura atta a tenere fissati e ancorati i componenti elettronici. Le sue funzionalità sono più profonde e abbracciano diversi criteri. Un interessante viaggio alla scoperta dei circuiti stampati.

Progettare PCB: introduzione

I progettisti di 40 anni fa erano dei veri e propri eroi. Essi non disponevano di computer nè di software per la progettazione dei circuiti stampati. Tuttavia, realizzavano PCB di alta qualità, anche per progetti e schemi molto complessi. Ovviamente a quell’epoca non esistevano le esigenze circuitali e di alta frequenza dei nostri giorni. I prodotti realizzati, sia PCB mono faccia (vedi figura 1) sia PCB doppia faccia, erano in grado di soddisfare la maggior parte delle esigenze della clientela, anche quella più sofisticata.

PCB monofaccia
Figura 1: un vecchio PCB monofaccia, alta tecnologia per quei tempi

Oggi il discorso è completamente diverso. L’alta qualità e le performance dei dispositivi elettronici, l’alta frequenza, la miniaturizzazione e l’elevatissimo numero di componenti fanno sì che il risultato finale debba essere estremamente sofisticato. La progettazione PCB e la realizzazione di nuovi PCB implica una costruzione professionale in fabbrica, grazie all’uso di macchinari specializzati. E’ impensabile, infatti, realizzare manualmente dei complessi circuiti stampati composti da 4, 6 o 8 strati. Si pensi, ad esempio, l’alta tecnologia contenuta negli ultimi modelli di piastre madri per computer (figura 2).

circuito stampato multilayers
Figura 2: un moderno circuito stampato multilayers

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Tipologie di PCB o circuito stampato

Esistono diversi tipi di PCB, a seconda delle applicazioni richieste. Tra i più diffusi e importanti ricordiamo quelli a singolo strato, a doppio strato, multistrato, flessibile, con supporto in alluminio, ecc.

Il tipo più semplice ed economico è, ovviamente quello a singolo strato. Il PCB a doppio strato (o a doppia faccia) risulta già notevolmente più complesso e in grado di risolvere parecchie problematiche. E’ composto da due strati sottili di conduttore attorno a un materiale isolante. I pad (collegati tra loro) devono corrispondere perfettamente sui due livelli. Il PCB multistrato è formato almeno da tre strati di materiale conduttore. Questa tipologia permette realizzazioni molto complesse, consentendo montaggi estremamente compatti. I PCB flessibile utilizza un materiale plastico pieghevole e può contenere anche più strati. E’ utilizzato in diversi campi di applicazione.

Tipi di PCB per finalità e applicazioni diverse

I circuiti elettronici sono molto diversi. I PCB differiscono tra loro per frequenze di lavoro, per velocità operative, per potenze di corrente, per utilizzi in settore Automotive o domestici, per applicazioni medicali e altro. E’ già sufficiente questa prima distinzione, per comprendere l’esigenza di un diverso approccio di realizzazione.

A seconda, infatti, dell’utilizzo finale del dispositivo, gli analisti dovranno valutare diversamente i criteri di progettazione di un PCB. I circuiti devono essere esaminati sulla base di diversi scenari pratici e tecnici. Anche la mole delle richieste e la riduzione del tempo di attesa modifica sempre più il mercato di produzione dei PCB. Oggi la metodologia di produzione dei circuiti stampati è estremamente complessa. Per via delle ridottissime dimensioni dei vari elementi (ad esempio tracce e fori), i sistemi di lavoro sono coadiuvati da strumentazione altrettanto sofisticata (microscopi, raggi-X, scanner HR per il controllo dei files Gerber, processi metallografici, laser, ecc). E’ inutile dire che tutte le fasi di progettazione vengono seguite da computer e da macchinari programmati (vedi figura 3). La qualità finale non è dettata solo dalle esigenze del cliente ma deve essere anche sottoposta ai più severi controlli di conformità per l’ottenimento di certificazioni.

produzione professionale di PCB
Figura 3: produzione professionale di PCB

Analisi del PCB

La diversa natura dei dispositivi detta anche le esigenze di scelta dei materiali. A seconda dell’applicazione, infatti, le diverse tipologie di substrato possono influire diversamente sui risultati finali. Non si può realizzare un circuito stampato ideale o perfetto in quanto ogni scheda elettronica esegue una univoca tipologia di lavoro, secondo le necessità elettriche e alle prestazioni richieste. Nel corso degli anni sono stati sviluppati materiali isolanti, per il dielettrico, con diverse caratteristiche (vedi figura 4). Specialmente per le alte frequenze è importante seguire criteri ben specifici, poiché le capacità parassite e le impedenze distribuite giocano un ruolo determinante, ai fini delle prestazioni finali. Si cerca, ovviamente di trovare materiali in cui il fattore dielettrico resti costante per un ampio intervallo di frequenze.

Come detto prima, oggi sono le macchine e i robot a realizzare i PCB. Solitamente non c’è un’apparecchiatura che si occupa di tutti i processi. Al contrario, si preferisce frazionare il lavoro su diverse attrezzature, in modo da ottenere i migliori risultati possibili. Alcune realizzazioni, infatti, possono essere viste solo al microscopio. Alcune macchine, ad esempio, generano direttamente l’immagine delle tracce sulle schede fotosensibili, senza la necessità di usare maschere, partendo da immagini raster o vettoriali. Altre eseguono, con precisione infinitesimale, fori ciechi o passanti. Nonostante le tecnologie raggiunte oggi, esistono ancora alcuni problemi che le aziende cercano di risolvere nel miglior modo possibile. Uno di questi è rappresentato dal disallineamento degli strati in PCB multi livello. Esso si verifica durante le varie fasi produttive e, nonostante gli accurati controlli, spesso non si risolvono al 100%. Le cause dipendono dalla temperatura ambientale e dal materiale stesso.

L’elemento principale di un PCB è il substrato dielettrico che, come detto prima, può essere rigido o flessibile. Allo scopo, vengono utilizzati laminati epossidici di vetro o altri materiali compositi. Il materiale più comune è l’FR4. Si tratta di un laminato in vetro che fornisce un’ottima resistenza meccanica. I materiali FR-1 e FR-2, utilizzati solo su PCB a singolo strato, sono composti da carta. Sono simili tra loro tranne che per la temperatura di transizione. Il materiale CEM-1, anch’esso usato per PCB a singola faccia, è costituito da carta e composti epossidici e fenoli di vetro intrecciato. Il CEM-3, di colore bianco, è un composto epossidico di vetro molto utilizzato per i PCB a doppio strato. E’ meno resistente a FR4 ma più economico e per questo risulta una buona alternativa. Il polyimide è utilizzato per i PCB flessibili. Ha buone proprietà elettriche e un’ampia gamma di temperature di lavoro, compresa tra -200° C e +300° C.

Caratteristiche di alcuni materiali per il substrato
Materiale Tg Costante dielettrica
FR4 135°C 3,8-4,7
FR4 halogen free 140°C 4,5 -4,9
FR4 High Tg, FR5 170°C 3,8-4,6
RCC 130°C 4,0
PD 260°C 4,4
High frequency (PTFE) 240–280°C 2,2–10,2
Polyimide 195-220°C 3,4

Al di là delle applicazioni finali, l’alta frequenza e la radiofrequenza (RF) rappresentano il campo più critico della progettazione e dell’utilizzo dei PCB. L’analisi diventa alquanto ardua poiché, oltre a considerare i normali fattori di connessione, collegamenti, potenze in transito e temperature operative, si devono esaminare altri fattori secondari ma non, per questo, meno importanti. Si devono, ad esempio, evitare fenomeni di riflessione del segnale che provocherebbero perdite rilevanti di potenza. Le prestazioni finali di un PCB possono essere rovinate anche da accoppiamenti capacitivi e induttivi indesiderati, da interferenze elettromagnetiche tra i vari stadi. La forma e le dimensioni delle tracce devono dipendere dalle lunghezze d’onda dei segnali che le attraversano. L’impedenza è strettamente legata al loro spessore, all’altezza e alla distanza con altre piste. I PCB entrano, a pieno titolo, anche a far parte del settore automotive, essendoci la presenza massiccia di schede elettroniche di controllo e di potenza. In questo caso la loro gestione è alquanto delicata, in quanto si deve cercare di minimizzare le perdite di energia e gli effetti parassiti, dannosi per le prestazioni del sistema. La presenza di un PCB robusto garantisce la massima efficienza e la sicurezza dei veicoli. I circuiti stampati utilizzati nel settore automobilistico sono soggetti a temperature operative abbastanza elevate, pertanto essi devono resistere alle condizioni critiche determinate dal conducente.

La progettazione del PCB deve prevedere sempre il caso peggiore. La presenza d’interferenze, causate dal veicolo stesso, potrebbe disturbare i sensori dell’auto, rendendolo addirittura ingovernabile. Anche nel settore dei dispositivi indossabili si stanno facendo grandi passi avanti. Il controllo termico del sistema, assieme al suo rendimento, è una priorità per i progettisti. I punti cardini della produzione riguardano la flessibilità e la comodità dei dispositivi.

PCB SL FR4
Figura 4: un PCB SL FR4

I file Gerber: un passo obbligatorio per la produzione dei PCB

Da qualche tempo si è fatta, finalmente, chiarezza sullo standard d’interscambio per la produzione dei PCB in fabbrica. Agli inizi i clienti si limitavano a fornire alle aziende files grafici non conformi, JPG, PNG o magari DXF. Le quote, a volte, non corrispondevano e spesso il prodotto finale era alquanto differente dalle richieste del cliente. Il formato Gerber è una tipologia di documento ASCII che contiene tutte le informazioni sul PCB: fori, pad, maschere, piste, loghi, serigrafie e molto altro. Sono sempre più i software di sbroglio che mettono a disposizione tale tipologia di esportazione. Questi files, una volta prodotti dal proprio software, devono essere inviati alle aziende di PCB. Lo standard preferito  è l’RS-274X. Esso contiene una sequenza di oggetti grafici che descrivono, alla perfezione, il circuito stampato in tutte le sue componenti. Le estensioni più utilizzate dei file sono .GBR, .ART e .GBX. In figura 5 è possibile osservare uno stralcio del file Gerber relativo al Botton Silk di un circuito stampato per RF, assieme alle tracce del circuito stampato (sopra) e alla disposizione dei componenti (sotto).

Figura 5: stralcio di un file Gerber relativo al Botton Silk di un circuito stampato

Prima che il cliente invii ciecamente i files Gerber prodotti dalla propria applicazione all’azienda preposta, è buona norma visualizzare il contenuto dei documenti, per un controllo supplementare. Allo scopo esistono tanti visualizzatori dedicati esclusivamente a tale tipologia di files. I programmi di progettazione più blasonati mettono tale possibilità tra le proprie funzionalità. Alcuni programmi di questo tipo sono il GerbMagic, il Gerbv. il GerberLogix e il Viewplot (questi due ultimi visibili in figura 6).

file gerber
Figura 6: i viewer GerberLogix e Viewplot

La progettazione dei PCB automotive

I circuiti stampati per il settore automotive devono soddisfare stringenti requisiti di affidabilità e prestazioni. L’affidabilità si misura sia con la durata dei principali dispositivi elettronici installati a bordo del veicolo, sia con la loro capacità di sopportare condizioni di utilizzo gravose. Stimando una vita media del veicolo di 10-12 anni, occorre garantire che i circuiti elettronici non vulnerabili o soggetti ad usura siano in grado di operare su questo arco di tempo senza richiedere interventi di manutenzione.

Un esempio è la centralina di controllo del motore, nota anche come ECU (Electronic Control Unit), il cui PCB deve essere progettato per un utilizzo continuativo anche in presenza di forti sollecitazioni meccaniche, umidità e condizioni di temperatura estreme. Le saldature devono essere eseguite a regola d’arte, evitando un distacco parziale dei componenti o un falso contatto che si verifichi dopo che il prodotto è uscito dalla fabbrica.

Il PCB deve essere inoltre essere sottoposto a opportuni trattamenti di rivestimento superficiale con resine specifiche, in grado di fornire elevata protezione da polvere, umidità, agenti chimici ed elevate escursioni termiche. Uno dei trattamenti maggiormente utilizzati è il “conformal coating”, noto anche come tropicalizzazione (in Figura 8 un esempio di applicazione automatica). Impiegata inizialmente per trattare i circuiti stampati per applicazioni navali, la tropicalizzazione è oggi largamente utilizzata nei settori aerospaziale, automotive e ferroviario.

Le resine, di natura acrilica, epossidica, poliuretanica o siliconica, creano una pellicola cristallina sul PCB evitando i processi di ossidazione e corrosione, causa di corto circuiti o falsi contatti. Un altro requisito importante riguarda il peso e le dimensioni dei circuiti elettronici, che devono essere contenuti il più possibile in modo tale da raggiungere un’elevata efficienza energetica e ridurre i consumi di carburante.

Circuiti stampati con footprint ridotto richiedono un’attenta scelta dei materiali e dello spessore del substrato, una corretta disposizione dei componenti sul PCB e opportune tecniche di gestione termica, soprattutto in presenza di componenti di elevata potenza come MOSFET e IGBT. Non da ultimi, vanno considerati gli aspetti legati alla compatibilità elettromagnetica.

Il superamento dei test EMC richiesti dall’omologazione automotive dipendono strettamente dalla qualità del PCB. Il circuito stampato deve essere progettato sin dall’inizio tenendo in considerazione questi aspetti, soprattutto in presenza di segnali misti (analogici e digitali).

L’importanza del thermal management

Per i circuiti elettronici installati a bordo dei veicoli è fondamentale adottare opportune tecniche di gestione termica.

I dispositivi on-board devono infatti operare in condizioni di temperatura molto gravose (soprattutto se collocati nel vano motore), con escursioni termiche anche molto significative.

I cicli termici di test (TCT, acronimo di Thermal Cycling Test) che devono essere superati dai circuiti stampati automotive hanno infatti un range di temperatura da -40°C e +85°C nel caso di normali circuiti on-board, fino ad arrivare a un range di temperatura da -40°C a +165°C per PCB installati sul motore.

Per evitare guasti o malfunzionamenti del circuito, il PCB deve essere progettato in modo tale che la sua temperatura si mantenga all’interno dei limiti di sicurezza. La quantità di calore prodotto dipende dalla potenza e dalle caratteristiche del circuito, dai componenti utilizzati, dalla resistenza dei collegamenti elettrici, dalla dimensione e spessore delle tracce e dalle perdite di potenza.

Mentre alcuni circuiti sono in grado di operare senza richiedere un raffreddamento, esistono casi in cui l’aggiunta di dissipatori, ventole, o raffreddamento liquido diventano inevitabili. A livello di progettazione del PCB, una prima tecnica consiste nella riduzione della resistenza termica, favorendo una dissipazione più rapida del calore.

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Poiché la resistenza termica è direttamente proporzionale alla lunghezza della traccia e inversamente proporzionale all’area della sua sezione, il risultato è ottenuto riducendo lo spessore delle tracce, inserendo vias termici per consentire la dissipazione verticale del calore tra più strati del PCB e aggiungendo piani di rame o metallo, che notoriamente presentano una conducibilità termica molto superiore a quella del materiale del substrato.

La disposizione dei componenti è altrettanto importante: i componenti di potenza non dovrebbero mai essere collocati sui bordi del PCB (a meno che siano provvisti di opportuno dissipatore) e si dovrebbe evitare la concentrazione di tali componenti, optando per una distribuzione più uniforme sull’area dello stampato. Se si utilizzano tecniche di raffreddamento forzato, come ventole, è inoltre importante l’orientamento dei componenti sul PCB, soprattutto per i circuiti integrati con package SOIC.

Un’altra tecnica utilizzata nei circuiti con elevate potenze consiste nell’applicazione (durante o successivamente alla fabbricazione del PCB) dei “copper coin” (un esempio è visibile in Figura 8), strutture geometriche di rame di spessore consistente poste nelle vicinanze dei componenti di potenza per aumentare drasticamente la dissipazione del calore.

Qualora fosse necessario, si adottano ulteriori tecniche di dissipazione come l’utilizzo di dissipatori, in alluminio o altro materiale a elevata conducibilità, ventole e circuiti di raffreddamento ad aria o liquido (come ad esempio il glicole etilenico). A un certo stadio di sviluppo del PCB può essere molto utile condurre anche un’analisi termica del circuito (anche attraverso opportuni tool di simulazione), evidenziando visivamente come le diverse parti del circuito si comportino al variare della temperatura.

Redazione Fare Elettronica