Le nostre vite sono circondate da vari dispositivi elettronici e, quando li smontiamo, spesso troviamo delle schede verdi note come PCB (circuiti stampati). Sono utilizzate in quasi tutti i prodotti e gli accessori elettronici, come dispositivi aerospaziali, apparecchiature mediche, telefoni cellulari, computer, ecc. Poiché i PCB sono ampiamente utilizzati ovunque, quanto ne sai? Questa è la guida definitiva per principianti per imparare cosa sono i circuiti stampati, come sono realizzati e le loro applicazioni comuni.
Che cosa è un PCB? Perché è utile?
I circuiti stampati sono schede realizzate in materiali non conduttivi con tracce conduttive incise o stampate sulla superficie dello strato conduttivo per consentire ai componenti elettronici montati di funzionare. Lo strato non conduttivo è solitamente realizzato in FR4 e poliimmide, con isolamento, impermeabilizzazione e stabilità. Lo strato conduttivo è generalmente costituito da rame con elevata conduttività elettrica.
L'invenzione del PCB ha aiutato ad affrontare i problemi dei circuiti complessi, ingombranti e fragili. Quindi, i circuiti possono essere riuniti su una scheda di circuito e questo li rende compatti, efficienti e meno soggetti a rotture. La produzione di PCB segue procedure che consentono la produzione di massa garantendo al contempo prestazioni e qualità costanti.
La storia e l'evoluzione del PCB
Fase di iniziazione: 1850-1900
Con la diffusione dell'elettricità e l'avvento dei telefoni e delle lampadine, si gettarono le basi per lo sviluppo tecnologico dei circuiti stampati.
Fase di sviluppo: 1900-1950
Un gran numero di telefoni negli Stati Uniti richiedeva alle persone di cambiare le connessioni telefoniche. Nel 1903, Albert Hanson dalla Germania brevettò il primo dispositivo simile a PCB da utilizzare nei sistemi telefonici.
Nel 1925, Charles Ducas stampò un circuito su un substrato isolato e poi costruì i conduttori utilizzati per il cablaggio tramite galvanica. Ciò significa che il circuito stampato era veramente nato.
Nel 1941, l'inventore Eisler introdusse il concetto di circuito stampato, che utilizzava un foglio di rame su una base di vetro non conduttiva. È considerato il primo circuito stampato moderno.
Fase di rapido sviluppo: 1950-2000
Gli americani desideravano esplorare lo spazio dopo la seconda guerra mondiale. I circuiti stampati hanno reso possibile l'esplorazione dello spazio. I circuiti stampati sono leggeri, consumano meno energia e sono più efficienti quando si eseguono attività molto complesse.
Fase di maturità: 2000 e dopo
Dagli anni 2000, i rapidi progressi tecnologici hanno guidato l'evoluzione dei circuiti stampati. Stanno diventando più complessi, più piccoli e più leggeri, rendendoli ampiamente utilizzati in una varietà di settori, tra cui case intelligenti, auto a guida autonoma e intelligenza artificiale.
4 strati fondamentali del PCB
Il PCB è composto da almeno i seguenti quattro strati. Se i PCB hanno più funzioni, sono necessari più strati.
Supporto strato
Lo strato di substrato è la struttura di base del circuito stampato, che serve sia per l'isolamento che per la resistenza fisica. Di solito è fatto di FR-4 o di qualche altro materiale isolante rigido a basso costo. FR-4 è preferito per la sua efficienza e la facilità di produzione di massa a basso costo. Inoltre, è anche possibile usare substrati di tipo flessibile (spesso di plastica) per scopi di piegatura e rilegatura a seconda dello scenario di caso d'uso dato.
Strato di rame
Lo strato conduttivo di solito si riferisce a un sottile foglio di rame che è legato al substrato. In un circuito stampato, lo strato di rame è una traccia conduttiva, che serve allo scopo di trasmissione del segnale elettronico.
Strato maschera di saldatura
In genere, lo strato di maschera di saldatura non è conduttivo e viene utilizzato per rivestire il PCB, il che conferisce alla scheda un colore verde, sono possibili anche altri colori. Lo strato di maschera di saldatura è sopra il rame e isola il rame dal contatto con altri elementi.
Strato serigrafico
Lo strato serigrafico è l'ultimo strato del circuito stampato che consente di aggiungere lettere, numeri e simboli alla scheda. È facile per gli utenti identificare e comprendere le diverse caratteristiche e componenti sulla scheda.
Come viene prodotto un PCB: panoramica passo dopo passo
Fase 1: Inizia con il design
I progettisti utilizzano software di progettazione PCB per progettare l'aspetto e la funzionalità dei circuiti stampati, compresi strati di traccia, componenti e altre informazioni rilevanti.
Fase 2: creare un film
Utilizzando una stampante speciale, stampare il progetto del PCB.
Passaggio 3: Stampa nei livelli
In questa fase, gli strati di rame vengono legati ai lati del substrato e stampano il design del circuito stampato su uno strato di rame. Aggiungere pellicola fotosensibile (fotoresist) al pannello.
Fase 4: Incidere il rame in eccesso
Il rame in eccesso viene rimosso con una soluzione chimica, mentre il rame necessario viene protetto dalla corrosione con un fotoresist indurito.
Fase 5: Allineamento e laminazione
Allinea e lamina insieme tutti gli strati. Da questo passaggio in poi, gli errori negli strati interni non possono essere corretti. Pertanto, è importante eseguire l'AOI (ispezione ottica automatizzata) per confermare che non ci siano errori.
Passaggio 6: trapano
Fori per la placcatura. Viene utilizzato per collegare componenti e collegare strati di rame.
Passaggio 7: placcatura
Il processo di elettrodeposizione consiste nel fondere diversi strati di un PCB tramite sostanze chimiche. Dopo un'accurata pulizia, durante il processo di placcatura viene depositato un sottile strato di rame sulla superficie e il rame entra anche nel foro più recente.
Fase 8: Resist strato esterno
Un fotoresist viene applicato a un pannello per riprodurre l'immagine dello strato esterno di un circuito stampato, in modo simile a come viene riprodotta l'immagine dello strato interno.
Fase 9: Seconda placcatura
È anche richiesto uno strato di placcatura in rame. Partendo dalla precedente placcatura in rame, viene applicato uno strato di stagno per evitare di incidere via il rame desiderato.
Fase 10: Incisione finale del rame in eccesso
Il rame indesiderato viene rimosso con una soluzione chimica e in questa fase lo stagno protegge il rame necessario.
Fase 11: Rivestimento della maschera di saldatura
Dopo aver pulito la scheda, la maschera di saldatura viene coperta su entrambi i lati e irradiata con una luce UV. La luce ultravioletta attraversa la pellicola fotografica della maschera di saldatura e la parte non indurita viene rimossa.
Passaggio 12: finitura superficiale
La placcatura in oro o argento viene applicata ai circuiti stampati per impedire l'ossidazione delle piazzole di rame e per fornire una superficie liscia su cui saldare i componenti.
Fase 13: Serigrafia
Il circuito stampato riceve scritte a getto d'inchiostro sulla sua superficie, che vengono utilizzate per indicare informazioni rilevanti. Il PCB entra infine nella fase finale di rivestimento e polimerizzazione.
Passo 14: Test elettrico
Infine, esegui test elettrici sul PCB. Questo serve principalmente a rilevare se le funzioni della scheda di circuito possono essere utilizzate normalmente.
Tipi comuni di circuiti stampati
PCB monostrato
PCB monofacciale, un lato è lo strato di rame conduttivo e l'altro lato è per i componenti elettronici. Questo tipo di circuito stampato è economico, veloce da produrre e semplice da progettare.
PCB a doppio strato
Un PCB bifacciale è un substrato con strati di rame conduttivo su entrambi i lati e i componenti su entrambi i lati sono collegati tramite fori. Ha applicazioni più ampie e può implementare circuiti più sofisticati. Funziona bene con sistemi elettronici avanzati.
PCB multistrato
I PCB multistrato sono costituiti da tre o più strati conduttivi separati da un numero corrispondente di substrati e poi laminati insieme. Poiché i PCB multistrato hanno più strati, possono servire più componenti e circuiti complessi in un'area più piccola. Grazie alle sue eccellenti prestazioni, è comunemente utilizzato nei sistemi aerospaziali, nei sistemi di difesa e nei dispositivi medici.
PCB flessibili
Il substrato dei Flex PCB è flessibile, solitamente poliammide, e può essere singolo, doppio o persino multistrato. Il vantaggio dei circuiti stampati Flex è che possono essere piegati nella forma desiderata senza danneggiare i fili e possono far risparmiare spazio. Queste schede sono adatte per applicazioni di forma irregolare o resistenti alle vibrazioni come l'elettronica indossabile.
PCB rigidi
I substrati dei PCB rigidi sono non pieghevoli, pieghevoli e possono essere singoli, doppi o multistrato. Queste schede non possono essere modificate dopo essere state prodotte. Sono convenienti e più durevoli di altre schede a circuito stampato. Sono facili da riparare e manutenere. I PCB rigidi sono comunemente utilizzati in prodotti di uso quotidiano come computer e telefoni cellulari, nonché in grandi dispositivi medici non portatili.
PCB rigidi-flessibili
Il PCB Rigid-Flex ha i vantaggi sia del circuito rigido che del circuito flessibile. Non è solo flessibile ma anche robusto, consentendo la formazione di circuiti piegati o piegati in modo continuo. Ottengono prestazioni spaziali più elevate tramite progettazione 3D, che può essere utilizzata in situazioni in cui ci sono requisiti speciali per spazio e peso, specialmente nei settori medico e aerospaziale.
PCB con supporto in alluminio
I PCB con supporto in alluminio sono costituiti da una base metallica e da un laminato rivestito in lamina di rame. Sono adatti per applicazioni ad alta potenza in cui la struttura in alluminio aiuta a dissipare il calore e a raffreddare i componenti elettronici.
Cose da considerare quando si sceglie un PCB
Poiché esistono numerosi tipi di PCB, come possiamo effettuare la selezione corretta? I seguenti aspetti sono i punti cruciali da considerare quando si selezionano schede a circuito stampato adatte.
Materiali Necessari
Le schede PCB sono solitamente realizzate in FR4 (resina epossidica rinforzata con fibra di vetro) per via del buon isolamento e della durevolezza. Se le schede hanno requisiti speciali, è possibile selezionare altri substrati.
Livelli
Le schede monostrato prevedono meno assemblaggi, le schede bifacciali consentono più componenti e quelle multistrato vengono utilizzate per circuiti elettronici complessi.
Taglia
La dimensione della scheda dipende dalle dimensioni del dispositivo; c'è abbastanza spazio per tutti i componenti senza essere troppo affollati.
Considerazione sui costi
Quando scegliamo i materiali, il costo è un aspetto importante da valutare. Fattori come la complessità del design, il numero di strati e i materiali speciali influenzano tutti il prezzo.
Le 6 principali applicazioni del PCB
Il PCB ha una scala di applicazione molto ampia in molti settori e aree. Qui introduciamo principalmente 6 applicazioni comuni:
Applicazione LED
I LED sono un tipo importante di illuminazione per le loro dimensioni compatte, la lunga durata e l'elevata efficienza energetica. I PCB e la tecnologia LED lavorano insieme per trasferire il calore lontano dalla lampadina e aumentare la durata del LED. I circuiti stampati utilizzati nei LED, solitamente realizzati in alluminio, hanno una forte conduttività termica.
Applicazione medica
Con l'avanzamento della tecnologia PCB, sempre più circuiti stampati vengono utilizzati nel settore medico. I circuiti stampati sono componenti importanti nei dispositivi utilizzati per diagnosi, monitoraggio, trattamento e altro. Nelle applicazioni mediche, si tratta di prodotti correlati alla salute che devono soddisfare requisiti di ripetibilità e affidabilità.
Applicazione elettronica di consumo
I prodotti che utilizziamo frequentemente nella nostra vita quotidiana, come telefoni cellulari, computer, elettrodomestici e altri dispositivi elettronici di consumo, necessitano tutti del supporto di circuiti stampati per funzionare correttamente. Sempre più circuiti stampati vengono aggiunti ai prodotti e la nostra vita quotidiana è inseparabile da essi.
Applicazione automobilistica
In passato, i circuiti stampati venivano utilizzati solo per gli interruttori dei fari e i tergicristalli nelle automobili. Ora, le case automobilistiche stanno utilizzando sempre più componenti elettronici nelle auto, come sistemi di intrattenimento e navigazione, sistemi di controllo e sensori.
Applicazione aerospaziale
Anche l'industria aerospaziale utilizza un gran numero di circuiti stampati, ma i materiali utilizzati per fabbricarli devono essere in grado di resistere a vibrazioni, temperature estreme e altri ambienti difficili. Questi circuiti stampati sono comunemente utilizzati in alimentatori, dispositivi di monitoraggio e apparecchiature di comunicazione.
Applicazione militare
L'esercito fa ampio uso di circuiti stampati, che puoi trovare in apparecchiature di comunicazione, computer, veicoli e armi da fuoco. L'esercito è spesso all'avanguardia della tecnologia e alcuni degli usi più avanzati dei circuiti stampati sono anche per applicazioni militari e di difesa.
Le ultime tendenze nella produzione di circuiti stampati
stampa 3D
Una nuova tendenza nella produzione di circuiti stampati è l'uso della stampa 3D. Può produrre circuiti stampati altamente complessi con poco spreco, tempo e costi rispetto ad altri metodi. La stampa 3D riduce il tempo necessario per completare la produzione dei prodotti, in modo che i prodotti vengano immessi sul mercato prima. È anche una soluzione desiderabile per la produzione di massa personalizzata di PCB.
Intelligenza artificiale (AI)
L'intelligenza artificiale si è gradualmente sviluppata in tutti gli ambiti della vita. Nella produzione di PCB, l'intelligenza artificiale può aiutare a migliorare la qualità e ridurre i tempi di produzione, aumentando il grado di automazione nella produzione. I produttori possono utilizzare l'intelligenza artificiale per analizzare i dati in ogni fase del processo e ottimizzare l'intero processo.
IoT nei PCB
Lo sviluppo dell'Internet of Things ha inoltre ulteriormente promosso lo sviluppo del settore dei circuiti stampati. I produttori hanno progettato circuiti stampati più piccoli e potenti per adattarsi a prodotti più piccoli. Questi prodotti sono più piccoli, più flessibili e allo stesso tempo offrono prestazioni più elevate.
Sviluppo sostenibile
Con la spinta globale verso una produzione ecologica, la produzione sostenibile di circuiti stampati è un punto chiave per il futuro della produzione. Alcuni dei materiali convenzionali utilizzati nella produzione di circuiti stampati includono metalli e sostanze chimiche che sono pericolose per l'ambiente e non sono facilmente riciclabili. La ricerca e l'innovazione nei materiali riciclabili per la produzione di PCB sono un punto chiave di innovazione per il futuro.
Conclusione
I PCB sono costituiti da percorsi di rame conduttivo incisi su un substrato isolante. Si sono evoluti nel corso degli anni e ora le schede sono complesse e ad alte prestazioni. Sono adatte a diversi dispositivi elettronici ad alta tecnologia. Pertanto, le schede di circuito avanzate possono spingere lo sviluppo dell'industria elettronica. In futuro, i PCB dovranno anche seguire gli sviluppi tecnologici e aggiornarli di conseguenza.
