Il pcb monofaccia (Single-sided PCB), abbreviato anche come circuito stampato monofaccia o scheda a singolo lato, è un circuito stampato in cui i circuiti in lamina di rame conduttiva e i pad di saldatura sono realizzati solo su un unico lato del substrato isolante. All’interno della vasta famiglia dei circuiti stampati, il circuito stampato monofaccia presenta la struttura più semplice. In genere, i componenti elettronici vengono montati sul lato privo di lamina di rame, mentre i circuiti in rame e i punti di saldatura sono posizionati sull’altro lato.
Il circuito stampato monofaccia è rivestito di lamina di rame solo su un lato del substrato e tutto il cablaggio deve essere realizzato sullo stesso lato. Poiché i conduttori non possono incrociarsi, la progettazione del layout è soggetta a notevoli limitazioni e spesso è necessario ricorrere a ponticelli o avvolgimenti per realizzare i collegamenti. Il processo di produzione tipico comprende fasi quali il trasferimento del disegno, l’incisione e la saldatura a onda.
Questo tipo di PCB, grazie alla sua struttura semplice e al costo contenuto, trova ampia applicazione in settori quali gli alimentatori, l’illuminazione a LED, le schede di controllo per elettrodomestici e l’elettronica di consumo.
Il circuito stampato monofaccia presenta una lamina di rame su un solo lato del substrato, che forma il disegno conduttivo; tutti i componenti sono montati su questo lato, mentre i conduttori sono distribuiti sullo stesso lato e l’altro lato non presenta alcun disegno conduttivo.
Prendendo come esempio un comune PCB monofaccia dello spessore di 1,6 mm, la sua struttura tipica comprende uno strato di tracce in lamina di rame, un substrato in fibra di vetro con resina epossidica FR-4, uno strato protettivo di vernice antisaldante e uno strato di caratteri serigrafati.
Il materiale di produzione dei PCB monofaccia è costituito da un laminato rivestito di rame; i tipi e la composizione più comuni sono i seguenti:
FR-4 (pannello in fibra di vetro e resina epossidica)
Utilizza tessuto in fibra di vetro come materiale di rinforzo, resina epossidica come adesivo isolante e un rivestimento in rame su un solo lato come strato conduttivo. Si caratterizza per il basso costo, l’elevata resistenza meccanica e la buona resistenza al calore; è il tipo più diffuso e viene spesso utilizzato negli elettrodomestici e nelle apparecchiature elettroniche di base.
Substrato in carta fenolica (FR-1 / FR-2)
Utilizza carta di cellulosa come substrato isolante, resina fenolica come legante e un rivestimento in rame su un solo lato. Il suo principale vantaggio è il costo estremamente basso, ma la resistenza al calore e la resistenza meccanica sono scarse; viene utilizzato principalmente in prodotti elettronici di consumo di fascia bassa, come giocattoli e telecomandi semplici.
Circuiti stampati in alluminio (substrato metallico)
Strutturalmente è costituito da una lamiera di alluminio (strato di dissipazione del calore), uno strato di materiale isolante e un foglio di rame su un solo lato. Hanno eccellenti prestazioni di dissipazione del calore e sono adatti per applicazioni che richiedono un buon dissipatore di calore, come l’illuminazione a LED e i moduli di alimentazione.
Inoltre, i circuito stampato monofaccia strato includono i seguenti componenti essenziali:
Foglio di rame: funge da strato conduttivo, con uno spessore solitamente compreso tra 18 μm e 35 μm.
Inchiostro per mask (maschera verde): ricopre le aree non soggette a saldatura, svolgendo una funzione di protezione dall’ossidazione e di isolamento.
Strato serigrafato: utilizzato per contrassegnare la posizione dei componenti e le informazioni sui parametri.
Processo di produzione dei pcb monofaccia:
I circuito stampato monofaccia vengono realizzati principalmente con il processo di produzione a sottrazione. Nello specifico, si applica innanzitutto uno strato di fotoresist sulla superficie del substrato rivestito di rame; tramite operazioni di esposizione e sviluppo, il disegno del circuito viene trasferito con precisione sulla superficie del rame. Successivamente, utilizzando una soluzione chimica di incisione, si rimuove la lamina di rame non protetta dal fotoresist; infine, si elimina il fotoresist, ottenendo così il circuito desiderato.
Il processo di produzione dei pcb monofaccia è relativamente semplice e comprende principalmente le seguenti fasi:
In primo luogo, in base alle dimensioni di progetto, il pannello rivestito di rame viene tagliato in fogli di dimensioni adeguate. Segue la fase di trasferimento del disegno, durante la quale si applica uniformemente una pellicola fotosensibile a secco o a umido sulla superficie della lamina di rame; l’esposizione viene effettuata utilizzando una pellicola negativa o la tecnologia di imaging diretto (LDI); le aree non esposte si dissolvono nel liquido di sviluppo, rivelando così la superficie di rame.
Successivamente si passa alla fase di incisione: il PCB viene immerso in una soluzione acida che corrode la lamina di rame non coperta dal resist, formando così il tracciato del circuito; una volta completata l’incisione, si rimuove il resist residuo. Di norma, la fase di foratura viene effettuata dopo l’incisione, per praticare i fori di montaggio e di posizionamento dei componenti.
Data la natura dei pcb monofaccia, dopo la foratura non è necessario procedere alla metallizzazione. Successivamente si eseguono le operazioni di saldatura e serigrafia: prima si applica l’inchiostro di saldatura, poi, tramite esposizione e sviluppo, si espongono i pad di saldatura, quindi si stampano i codici di posizione dei componenti e i simboli di polarità. Dopo il trattamento superficiale e il processo di taglio e formatura, un circuito stampato monofaccia è completato.
Per quanto riguarda il trattamento superficiale, al fine di prevenire l’ossidazione dei pad di rame durante lo stoccaggio e l’assemblaggio e di migliorarne la saldabilità, i circuito stampato monofaccia richiedono generalmente un trattamento superficiale. Il livellamento ad aria calda (HASL) è un processo di trattamento piuttosto tradizionale, in cui il PCB viene immerso in stagno fuso e poi livellato con aria calda, formando così uno strato uniforme di lega di stagno-piombo sulla superficie.
Questo processo presenta i vantaggi di un basso costo e di una buona saldabilità ed è adatto per correnti elevate e componenti a innesto, ma la planarità della superficie non è ottimale. Il processo OSP (Organic Solder Preservative) consiste nel generare uno strato di pellicola protettiva organica sulla superficie del rame; il processo è semplice, a basso costo e garantisce una superficie piana, adatta ai componenti a montaggio superficiale, ma la resistenza ai graffi è relativamente debole.
Per i componenti di precisione che richiedono un’elevata planarità, è possibile utilizzare il processo di placcatura chimica in nichel-oro (ENIG), ovvero placcare prima uno strato di nichel sulla superficie di rame e poi uno strato di oro; questo processo presenta un’elevata resistenza all’ossidazione, ma ha un costo relativamente alto.
Punti chiave nella progettazione di circuito stampato monofaccia
Nella progettazione di circuito stampato monofaccia, un layout ragionevole è la chiave del successo. È necessario seguire l’ordine “prima il layout, poi il cablaggio”, posizionando i componenti in base al flusso dei segnali dello schema elettrico e riducendo al minimo le intersezioni delle tracce regolando la posizione, l’orientamento e il tipo di contenitore dei componenti.
Allo stesso tempo, occorre considerare la posizione dei connettori, attuare una suddivisione modulare delle funzioni e disporre i componenti in modo compatto, garantendo le distanze di sicurezza e lasciando spazio sufficiente per il cablaggio successivo.
Il requisito fondamentale nella progettazione di circuito stampato monofaccia è che tutti i conduttori siano collegati all’interno dello stesso strato di rame e non si incrocino tra loro. Per le linee che inevitabilmente si incrociano, è necessario utilizzare ponticelli, riducendone il numero il più possibile, disponendoli in modo concentrato e ordinato e contrassegnandoli chiaramente sullo strato di serigrafia. Durante il cablaggio, le linee di segnale devono presentare angoli di 45° o transizioni ad arco, evitando angoli acuti e retti, e seguendo il principio del percorso più breve.
I cavi di alimentazione e di terra devono essere opportunamente allargati per sopportare correnti più elevate e ridurre l’impedenza del circuito. Si consiglia di disporre in via prioritaria la rete di terra e di utilizzare, per quanto possibile, una placcatura in rame su ampia superficie, al fine di ridurre il rumore e fornire un effetto di schermatura. Per i circuiti sensibili, è possibile adottare una configurazione a stella o una messa a terra a punto singolo.
Le dimensioni dei pad devono essere maggiori del diametro dei pin dei componenti, per garantire una buona saldabilità; le linee devono collegarsi in modo fluido al centro o al lato del pad. Durante la progettazione è necessario attenersi rigorosamente alle specifiche di processo del produttore, aggiungere una chiara marcatura serigrafata e inserire una goccia di saldatura nel punto di connessione tra il conduttore e la piazzoletta per aumentare la resistenza meccanica.
Quando si utilizza un software come Altium Designer per la progettazione di circuito stampato monofaccia, è necessario limitare tutto il cablaggio allo stesso strato e disabilitare l’altro strato. Il flusso di lavoro di progettazione consigliato è il seguente: dopo aver completato la creazione della libreria dei componenti, si procede innanzitutto a un layout accurato; poi tracciare prima le linee di segnale critiche e successivamente quelle ordinarie; dopo aver gestito i ponticelli, ottimizzare il tracciato ed eseguire la placcatura in rame; infine aggiungere lo strato di serigrafia ed eseguire il controllo delle regole di progettazione (DRC).
Vantaggi e svantaggi dei circuito stampato monofaccia strato
Vantaggi dei circuito stampato monofaccia strato:
I circuito stampato monofaccia strato richiedono meno materie prime e hanno un costo inferiore;
Il processo di produzione è più snello e i tempi complessivi di produzione sono più brevi;
La progettazione e la struttura dei circuiti sono relativamente semplici, quindi è possibile completare la progettazione anche senza una vasta esperienza professionale;
grazie alla semplicità del processo, per gli ordini di grandi quantità, maggiore è il numero di pezzi ordinati, più vantaggioso è il prezzo.
D’altra parte, rispetto alle schede a doppio strato o multistrato delle stesse dimensioni, i suoi svantaggi ne limitano costantemente lo sviluppo:
I limiti di superficie delle pcb monofaccia non consentono di soddisfare l’esigenza di installare un numero elevato di componenti e di tracciare un numero maggiore di linee; inoltre, se si caricano troppi componenti, si possono verificare problemi quali una velocità di connessione ridotta e perdite di potenza, pertanto il campo di applicazione di questi prodotti è molto limitato.
