Per “circuito stampato doppia faccia” (Double Sided PCB) si intende un circuito stampato in cui entrambi i lati del substrato sono ricoperti da uno strato di lamina di rame conduttiva e su cui è possibile tracciare schemi conduttivi su entrambi i lati. La sua struttura è costituita da un substrato isolante centrale e da strati di lamina di rame situati su entrambi i lati del substrato; il collegamento elettrico tra i due lati della scheda avviene tramite fori metallizzati (Plated Through Hole, abbreviato in PTH).
Il processo di produzione dei fori metallizzati prevede prima la foratura, seguita da processi di elettrodeposizione e placcatura in rame, che formano uno strato conduttivo sulle pareti dei fori, realizzando così un’interconnessione affidabile e stabile tra gli strati. Rispetto ai circuiti a singolo strato, la caratteristica più significativa dei circuiti a doppio strato è la possibilità di disporre i tracciati su entrambe le facce del substrato e di realizzare i collegamenti tramite i fori metallizzati. Dal punto di vista del processo di produzione, i circuiti a doppio strato richiedono una fase aggiuntiva fondamentale rispetto a quelli a singolo strato: la deposizione chimica di rame (ovvero la metallizzazione dei fori).
Spiegazione dettagliata del processo di produzione dei PCB doppia faccia, che copre i principali processi:
1.Progettazione ingegneristica e preparazione dei file
Progettazione dello schema elettrico: utilizzo di software di progettazione elettronica automatizzata (EDA), come Altium, KiCad e simili, per disegnare lo schema elettrico.
Operazioni di layout e cablaggio: disposizione razionale dei componenti sulle due facce del circuito stampato doppia faccia e collegamento dei conduttori (rispettivamente sul livello superiore e su quello inferiore).
Generazione dei file di produzione:
File Gerber: file contenenti le informazioni grafiche relative alla lamina di rame, alla serigrafia e allo strato di saldatura su ogni livello.
File di foratura: utilizzati per determinare la posizione e la dimensione dei fori, in formato Excellon.
Tabella di rete IPC: utilizzata per la verifica dei collegamenti elettrici.
2.Fase di preparazione del substrato
Scelta del substrato: solitamente si utilizza FR-4 (pannello in fibra di vetro con resina epossidica), con rivestimento in rame su entrambi i lati.
Operazioni di taglio: taglio del substrato secondo le dimensioni specificate dal progetto.
3.Trasferimento del disegno sugli strati interni (svolgimento simultaneo su entrambi i lati)
Trattamento di pulizia della superficie in rame: rimozione dello strato di ossidazione e delle impurità quali tracce di olio dalla superficie in rame.
Applicazione della resina fotosensibile: spruzzare uniformemente su entrambi i lati o stendere con un rullo l’inchiostro fotosensibile (disponibile in due tipi: a film secco e a film umido).
Processo di esposizione:
Coprire la lamina di rame su entrambi i lati con la pellicola progettata, quindi esporla alla luce UV.
Nel processo a negativo, la resina fotosensibile nelle aree esposte si indurisce.
Operazione di sviluppo: utilizzare una soluzione alcalina per dissolvere la pellicola di resina fotosensibile non indurita, esponendo così le aree di rame da incidere.
4.Fase di incisione
Incisione acida: dissolvere la lamina di rame esposta spruzzando una soluzione di cloruro di ferro o di ammonio e rame.
Rimozione della pellicola: rimuovere la resina fotosensibile indurita, conservando il tracciato dei circuiti in rame progettato.
5.Processo di laminazione e foratura
Trattamento di ossidazione (fase facoltativa): rafforza l’adesione tra la superficie di rame e la resina.
Operazione di foratura meccanica:
Utilizzo di una foratrice a controllo numerico (CNC) per praticare fori passanti e fori di montaggio.
Controllo dei parametri chiave: impostazione adeguata della velocità di rotazione della punta e della velocità di avanzamento per evitare la formazione di bave.
Trattamento di placcatura in rame (PTH):
Deposizione chimica di rame: deposizione di uno strato conduttivo dell’ordine dei micron sulle pareti dei fori per la metallizzazione.
Spessoramento del rame elettrolitico: spessoramento dello strato di rame sulle pareti dei fori fino a 20-25 μm per garantire una buona conduttività elettrica.
6.Trasferimento del disegno dello strato esterno e processo di placcatura
Esposizione e sviluppo della pellicola: ripetere le operazioni del punto 3 per realizzare il disegno dei circuiti dello strato esterno.
Processo di placcatura del disegno:
Placcatura in rame: si esegue un secondo ispessimento dello strato di rame sui circuiti e sulle pareti dei fori, portandone lo spessore a oltre 35 μm.
Placcatura in stagno: si applica uno strato di stagno come strato protettivo contro l’incisione.
7.Incisione dello strato esterno e rimozione dello stagno
Incisione alcalina: si rimuove la lamina di rame non protetta che non fa parte dei circuiti.
Rimozione dello stagno: rimuovere lo strato di stagno per esporre i circuiti in rame sottostanti.
8.Trattamento dello strato di saldatura (vernice verde)
Applicazione dell’inchiostro di saldatura: mediante serigrafia o spruzzatura, applicare la vernice fotosensibile liquida (di solito di colore verde) sulla scheda.
Esposizione e sviluppo: determinare le aree da aprire (per esporre i pad di saldatura e i punti di test) tramite la pellicola.
Trattamento di polimerizzazione: l’inchiostro viene indurito mediante cottura ad alta temperatura.
9.Processi di trattamento superficiale
Tipi di processi disponibili:
Stagnatura a spruzzo (HASL): placcatura dei pad con una lega di stagno-piombo per migliorare la resistenza alla saldatura.
Placcatura in oro elettrolitico (ENIG): prima si applica un fondo di nichel, poi si placca con uno strato d’oro; presenta proprietà antiossidanti ed è adatta per pin di precisione.
OSP: applicazione di un film organico protettivo per la saldatura; ha un costo contenuto, ma richiede che la saldatura venga eseguita il prima possibile.
10.Operazioni di serigrafia
Stampa del testo: serigrafare i codici dei componenti, il logo e altre informazioni sugli strati superiore e inferiore utilizzando inchiostro bianco.
Trattamento di polimerizzazione: polimerizzare lo strato di stampa tramite irradiazione UV o trattamento termico.
11.Fasi di formatura e collaudo
Taglio a V o fresatura dei bordi: tagliare il pannello in singoli PCB.
Test elettrici (E-Test):
Test a penne volanti: utilizzare sonde mobili per verificare la presenza di interruzioni o cortocircuiti (adatto alla produzione in piccoli lotti).
Test su testata a penne: utilizzare attrezzature di fissaggio personalizzate per eseguire test in serie (con elevata copertura).
Ispezione AOI: utilizzare la tecnologia di ispezione ottica automatica per verificare la presenza di difetti nei circuiti.
12.Controllo finale e imballaggio
Controllo visivo/campionamento secondo standard IPC: verifica delle dimensioni, dell’aspetto e della funzionalità del prodotto.
Imballaggio antistatico sottovuoto: previene danni durante il trasporto e fenomeni di ossidazione.
Punti chiave da considerare
Requisiti di precisione di allineamento: i tracciati su entrambi i lati devono essere rigorosamente allineati, utilizzando fori di riferimento o target.
Garanzia di affidabilità dei fori placcati: la qualità della fase di placcatura ha un impatto significativo sulla durata della conduttività tra gli strati.
Punti chiave per il controllo dell’impedenza: per le linee di segnale ad alta frequenza, è necessario calcolare con precisione la larghezza delle linee e lo spessore dello strato di dielettrico.
Suggerimenti per l’ottimizzazione DFM: già in fase di progettazione occorre tenere in debita considerazione i processi di produzione, ad esempio evitando tracciati con angoli acuti.
Principali settori di applicazione dei circuito stampato doppia faccia
Elettronica di consumo: il vero e proprio “gigante” della domanda
Tra i numerosi settori, quello dell’elettronica di consumo è in testa per volume di domanda.
Settore degli smartphone e dei tablet
Sebbene le schede madri principali utilizzino prevalentemente pcb multistrato, i numerosi moduli ausiliari e schede di collegamento interni, come le schede dei moduli fotocamera, le schede di riconoscimento delle impronte digitali, le schede dei vari sensori, le schede dei tasti, le schede di gestione della batteria, le schede delle interfacce per le cuffie e alcune schede interne dei caricabatterie, utilizzano ampiamente i circuito stampato doppia faccia.
Settore dei computer e delle periferiche
All’interno di computer desktop e portatili, i circuiti stampati a doppio lato sono una scelta comune per schede di espansione, schede audio, alcune schede di rete, schede di alimentazione (lato secondario), schede per tastiera e mouse, schede di pilotaggio per monitor, nonché schede di controllo per stampanti e scanner.
Settore degli elettrodomestici
I circuiti stampati a doppio lato svolgono un ruolo importante in alcuni moduli funzionali delle schede logiche dei televisori, nonché nelle schede di alimentazione, nelle schede di controllo di condizionatori d’aria, lavatrici, forni a microonde, cuociriso, piani cottura a induzione, ventilatori elettrici e nelle schede di pilotaggio delle lampade intelligenti.
Settore delle apparecchiature audio-video
Schede per amplificatori audio, schede madri per altoparlanti Bluetooth, set-top box, schede per alcuni lettori DVD e schede per controller di console di gioco, ecc. L’uso delle schede a doppio lato è molto diffuso.
Settore dei dispositivi per la casa intelligente
Sensori di vario tipo, come sensori di temperatura e umidità, sensori magnetici per porte e finestre, sensori di presenza, ecc., oltre a interruttori intelligenti, prese intelligenti e sottomoduli per gateway, ecc. Grazie ai loro vantaggi, le schede a doppio lato sono la scelta ideale per numerosi prodotti.
Settore del controllo industriale e dell’automazione
Schede di controllo per apparecchiature di automazione industriale, schede di interfaccia per sensori, alcune schede di azionamento dei motori, interfacce uomo-macchina, schede interne di strumenti e misuratori (come multimetri, sonde per oscilloscopi, misuratori di potenza, ecc.) e moduli I/O per PLC: in contesti industriali, dove le esigenze in termini di affidabilità e costi sono elevate, le schede a doppio lato rappresentano in molti casi la scelta più conveniente in termini di rapporto qualità-prezzo, coniugando prestazioni e costi.
Settore dell’elettronica automobilistica
Sebbene le unità di controllo elettronico (ECU) più importanti delle automobili utilizzino solitamente pcb multistrato, all’interno dei veicoli sono presenti una grande quantità di moduli di controllo della carrozzeria, come schede di pilotaggio dei fari (per il controllo dell’illuminazione), schede di controllo dei finestrini, schede di controllo delle serrature delle portiere, schede di controllo dei tergicristalli, pannelli di controllo dell’aria condizionata, schede di regolazione dei sedili, oltre a semplici schede di interfaccia per sensori (come le schede interne dei trasmettitori per il monitoraggio della pressione dei pneumatici) e schede ausiliarie per i sistemi di intrattenimento.
Con il continuo aumento del livello di elettrificazione delle automobili, l’utilizzo dei circuito stampato doppia faccia nel settore dell’elettronica automobilistica è estremamente elevato.
Settore dell’illuminazione a LED
Nel settore dell’illuminazione a LED, che si tratti di lampadine, tubi, pannelli luminosi o lampioni, le schede di alimentazione utilizzano quasi senza eccezioni circuito stampato doppia faccia; questa è ormai diventata la configurazione standard e dominante in questo settore, con una domanda estremamente consistente.
Settore delle apparecchiature di comunicazione
Nei dispositivi di rete quali router, switch e modem ottici, oltre ai chip principali ad alte prestazioni che richiedono schede multistrato per soddisfare le esigenze, i moduli periferici quali moduli di alimentazione, schede di conversione delle interfacce, schede di indicatori luminosi e schede di controllo delle ventole utilizzano spesso schede a doppio lato.
Settore dell’elettronica medica (apparecchiature di complessità medio-bassa)
Anche nei misuratori di pressione sanguigna, nei glucometri, negli apparecchi per fisioterapia e in alcuni moduli funzionali dei monitor, come schede sensori, schede di pilotaggio del display, schede pulsanti e adattatori di alimentazione, i circuito stampato doppia faccia sono una scelta comune.
Perché l’utilizzo dei circuito stampato doppia faccia sul mercato è così sorprendente?
Vantaggio di un rapporto qualità-prezzo eccezionale
Rispetto ai PCB a singola faccia, quelli a doppia faccia offrono funzionalità più avanzate, consentendo il cablaggio su entrambi i lati e aumentando notevolmente lo spazio e la flessibilità di cablaggio; rispetto ai PCB multistrato a 4 o più strati, presentano un vantaggio significativo in termini di costo, grazie al processo di produzione relativamente semplice che riduce efficacemente i costi di fabbricazione.
Maturità, stabilità e affidabilità
Il processo di produzione dei circuito stampato doppia faccia, dopo un lungo periodo di sviluppo e perfezionamento, è ormai estremamente maturo. Durante la produzione è possibile mantenere un elevato tasso di prodotti conformi, e la loro affidabilità è stata testata a lungo sul mercato, con prestazioni eccellenti nelle applicazioni pratiche, fornendo una solida garanzia per il funzionamento stabile del prodotto.
Adatto a un’ampia gamma di scenari di utilizzo
Tra i numerosi prodotti elettronici, molti presentano una complessità funzionale di livello medio, con requisiti di velocità di segnale non estremamente elevati, ma che richiedono un certo grado di integrazione. Per questo tipo di prodotti, i circuito stampato doppia faccia rappresentano il punto di equilibrio ideale tra prestazioni e costi, in grado di soddisfare le esigenze funzionali del prodotto senza comportare una pressione eccessiva sui costi.
Elevata libertà di progettazione
Grazie a una meticolosa pianificazione del layout e del cablaggio e all’uso razionale della tecnologia dei fori passanti, i circuito stampato doppia faccia sono in grado di risolvere facilmente i problemi di interconnessione della maggior parte dei circuiti a media densità, offrendo un’ampia libertà di progettazione e consentendo ai progettisti di realizzare con maggiore flessibilità le varie funzioni dei circuiti.
