Che cos’è il pcb? PCB significa Printed Circuit Board, ovvero circuito stampato, noto anche come scheda a circuiti stampati. Si tratta di una scheda stampata formata su un substrato comune secondo un progetto prestabilito, caratterizzata da interconnessioni tra punti e componenti stampati. Fungendo da struttura di supporto per i componenti elettronici, agisce come vettore per la loro interconnessione elettrica.
Essendo un componente fondamentale dei prodotti elettronici, il PCB svolge un ruolo indispensabile. Non solo svolge il compito cruciale di collegare i circuiti, ma fornisce anche un solido supporto ai componenti elettronici. Ancora più importante, i circuiti stampati PCB migliorano la stabilità e l’affidabilità dei circuiti, garantendo il funzionamento costante ed efficiente dei dispositivi elettronici. Di conseguenza, nella moderna tecnologia elettronica, i circuiti stampati PCB sono innegabilmente indispensabili.
I circuiti stampati sono composti principalmente da materiali isolanti, come la resina epossidica rinforzata con fibra di vetro (FR-4). Incorporano uno o più strati sottili di rame, sui quali vengono formati i circuiti tramite incisione chimica o lavorazione meccanica. I collegamenti elettrici tra gli strati di rame sono realizzati tramite fori passanti (via holes) o fori ciechi (che collegano solo determinati strati). Grazie alla combinazione di cablaggio e materiali isolanti, il circuito stampato PCB consente i collegamenti elettrici e l’integrazione funzionale dei componenti elettronici. Non solo migliora significativamente l’integrazione e l’affidabilità delle apparecchiature, ma consente anche di risparmiare spazio per il cablaggio e semplifica la progettazione del sistema.
Rispetto al precedente metodo di “wire-bonding”, i vantaggi delle schede PCB risiedono nella loro integrazione, standardizzazione e miniaturizzazione, che si manifestano in tre aspetti chiave:
Stabilità elettrica superiore: le tracce di foglio di rame sono incise con precisione da macchinari, garantendo larghezze e spaziature uniformi delle linee. Ciò elimina i rischi di cattivo contatto e cortocircuiti inerenti al cablaggio manuale, con conseguente trasmissione del segnale più stabile (in particolare per i segnali ad alta frequenza);
Migliore utilizzo dello spazio: i progetti possono incorporare strati singoli, doppi o multipli (ad esempio, 4 strati, 6 strati, 12 strati), con componenti montati su entrambi i lati della scheda (tramite processi SMT), riducendo sostanzialmente l’ingombro delle apparecchiature (ad esempio, schede madri di telefoni cellulari, schede madri di laptop);
Bassi costi di produzione di massa: i processi di produzione standardizzati (progettazione → fabbricazione della scheda → saldatura) consentono la replica in serie, rendendola adatta alla produzione su larga scala di dispositivi elettronici. Durante le riparazioni, le “marcature serigrafiche” (ad esempio, R1, C2, U1) facilitano la rapida identificazione dei componenti.
Composizione della scheda PCB
(1) Filo: il filo (Track) ha una relazione di connessione di rete corrispondente allo schema elettrico e il filo ha un’etichetta di rete (NetLable) corrispondente ai nodi dello schema elettrico. Durante il cablaggio, i fili possono essere spinti, avvolti, ecc. automaticamente (i fili sono collegati tramite nodi, dove non ci sono nodi, durante il cablaggio non sono consentite connessioni incrociate fisiche dei fili).
(2) Posa del rame: collegare la rete tramite un unico foglio di rame e, una volta completato il cablaggio, riempire la parte restante della scheda PWB con foglio di rame, solitamente utilizzato per la messa a terra (GND) e l’alimentazione (POWER). A causa dell’ampia superficie del foglio di rame, l’effetto di dissipazione del calore sarà più oggettivo.
(3) Foro passante:
① Funzione dei fori passanti:
Collegamento elettrico: i fori passanti possono essere utilizzati per collegare circuiti a diversi livelli, consentendo un’efficace trasmissione del segnale e dell’alimentazione sul circuito stampato a diversi livelli. Il circuito stampato è generalmente suddiviso in due strati e, con ogni strato aggiuntivo, il costo aumenta notevolmente
Fissaggio o posizionamento dei dispositivi: i fori passanti possono essere utilizzati per fissare la posizione dei componenti elettronici come resistori, condensatori, ecc., garantendo il loro corretto layout sulla scheda a circuiti stampati.
② Classificazione dei fori passanti:
Fori passanti: i fori passanti più comuni e semplici delle schede PWB sono i fori passanti, che sono fori meccanici praticati dall’alto verso il basso del PCB.
Foro cieco: il foro cieco è un tipo di foratura laser che comporta la foratura e la galvanizzazione di fori dallo strato superiore o inferiore di una scheda PWB allo strato interno.
Foro interrato: il foro interrato può essere una foratura laser o una foratura meccanica e si riferisce al foro di collegamento situato nello strato interno del circuito stampato, che non si estende fino alla superficie del circuito stampato.
(4) Pads di saldatura: i componenti vengono fissati alla scheda PCB mediante saldatura attraverso fori passanti sulla scheda a circuiti stampati. I fili stampati collegano i pads di saldatura per realizzare il collegamento elettrico dei componenti nel circuito. I fori passanti e la lamina di rame circostante sono chiamati pads di saldatura.
(5) Serigrafia: la serigrafia si riferisce alle informazioni stampate sui circuiti stampati elettronici, come testo, loghi, grafica, ecc. Queste serigrafie hanno funzioni importanti, possono aiutare a identificare la posizione, il valore, il modello e altre informazioni dei componenti elettronici, nonché la direzione e il metodo di installazione corretto dei componenti.
Scenari di applicazione delle schede PCB
Apparecchiature di comunicazione: le schede PCB sono utilizzate in telefoni, telefoni cellulari, radio, sistemi di comunicazione satellitare e dispositivi simili, fornendo percorsi di trasmissione del segnale affidabili per garantire un trasferimento accurato dei dati.
Apparecchiature mediche: le schede PCB sono impiegate in dispositivi diagnostici e di monitoraggio, strumenti chirurgici e dispositivi impiantabili, soddisfacendo rigorosi requisiti di precisione e affidabilità per salvaguardare la funzionalità delle apparecchiature e la sicurezza dei pazienti.
Controllo industriale: le schede a circuiti stampati sono utilizzate nella robotica, nelle macchine utensili CNC e nei sistemi di automazione delle linee di produzione, consentendo un controllo e un funzionamento precisi.
Elettronica automobilistica: i circuiti stampati (PCB) sono utilizzati nei moduli di controllo del motore, nei moduli di controllo della carrozzeria e nei sistemi di controllo degli airbag, gestendo vari sistemi del veicolo per garantirne il corretto funzionamento.
Elettronica di consumo: i circuiti stampati (PCB) sono utilizzati in elettrodomestici come televisori, frigoriferi, lavatrici e condizionatori d’aria, nonché in smartphone, tablet e console per videogiochi, fornendo connessioni elettriche e supporto ai componenti.
Aerospaziale: i circuiti stampati (PCB) sono utilizzati in aerei, razzi e satelliti, soddisfacendo severi requisiti di affidabilità e precisione per eseguire complesse funzioni di controllo e monitoraggio.
Computer e server: i circuiti stampati PCB sono impiegati in computer e server, fornendo percorsi di trasmissione del segnale affidabili per garantire un rapido trasferimento e elaborazione dei dati.
Dispositivi Internet of Things (IoT): i circuiti stampati forniscono percorsi di controllo e trasmissione dati stabili e affidabili per i dispositivi IoT, consentendo una gestione intelligente e il monitoraggio remoto.
Settore delle nuove energie: i circuiti stampati sono utilizzati nei sistemi a pannelli solari, nei sistemi di generazione di energia eolica e in applicazioni simili, fornendo connessioni elettriche e funzionalità di controllo.
Classificazione dei circuiti stampati
I circuiti stampati sono classificati in base al numero di strati in tre tipi principali: circuiti stampati monofacciali, circuiti stampati bifacciali e circuiti stampati multistrato.
I circuiti stampati monofacciali presentano componenti concentrati su un lato del PCB più semplice, con tracce conduttive concentrate sul lato opposto. Poiché le tracce appaiono solo su un lato, questo tipo di PCB è denominato circuito stampato monofacciale. Le schede a singolo lato sono in genere semplici da produrre ed economiche, ma presentano lo svantaggio di non poter ospitare prodotti eccessivamente complessi.
Le schede a doppio lato rappresentano un’estensione delle schede a singolo lato. Quando il routing a singolo strato non soddisfa i requisiti dei prodotti elettronici, vengono utilizzate schede a doppio lato. Entrambi i lati presentano rivestimento e tracce in rame, con vie che collegano i circuiti tra gli strati per formare le connessioni di rete necessarie.
I circuiti stampati multistrato sono circuiti stampati composti da tre o più strati di pattern conduttivi laminati insieme con materiali isolanti tra di essi, in cui i pattern conduttivi sono interconnessi secondo necessità. I circuiti stampati multistrato rappresentano l’evoluzione della tecnologia dell’informazione elettronica verso l’alta velocità, la multifunzionalità, la grande capacità, le dimensioni compatte, i profili sottili e i design leggeri.
I circuiti stampati multistrato sono comunemente designati con numeri pari, come 2, 4, 6, 8, 10, 20, 40 o 100 strati. In parole povere, il numero di strati di rame, ovvero il numero di tracce, equivale al numero di strati della scheda. Attualmente, la maggior parte dei processi multistrato prevede la laminazione di più laminati rivestiti in rame su entrambi i lati, da cui la prevalenza di schede multistrato con numeri pari. Ad esempio, la laminazione di due schede PCB su entrambi i lati produce una scheda a 4 strati; aggiungendo un’altra scheda su entrambi i lati si ottiene una scheda a 6 strati e così via. Inoltre, tecnologie avanzate come HDI, SLP e Anylayer, nonostante la loro complessità, caratterizzata da numerosi via, tracce sottili, processi intricati e alta precisione, rientrano comunque nella categoria dei materiali delle “schede rigide”. Pertanto, sono generalmente classificate come schede multistrato, a meno che non siano specificatamente elencate separatamente.
In base alle proprietà dei materiali
Classificazione in base alla rigidità del substrato
PCB rigido
Definizione: utilizza materiali isolanti rigidi come substrato, non è pieghevole né flessibile ed è il tipo più diffuso nei dispositivi elettronici.
Materiali rappresentativi: substrati in tessuto di fibra di vetro FR-4, substrati in carta fenolica, laminati rivestiti in metallo (a base di alluminio, a base di rame), ecc.
Applicazioni: schede madri di computer, schede madri di smartphone, moduli di controllo elettronico per automobili, ecc.
Scheda PCB flessibile
Definizione: utilizza materiali flessibili come il poliimmide (PI) come substrato, in grado di piegarsi e ripiegarsi per adattarsi all’installazione in spazi ristretti.
Materiali rappresentativi: substrati PI, substrati in pellicola di poliestere.
Scenari di applicazione: dispositivi indossabili, cavi flessibili a cerniera per smartphone pieghevoli, strumenti chirurgici medici minimamente invasivi, ecc.
Classificazione in base al materiale di rinforzo
Base in tessuto di vetro
Componenti principali: tessuto in fibra di vetro + resina epossidica (ad es. FR-4), che offre elevata resistenza meccanica e termica.
Vantaggi: resistenza meccanica superiore, proprietà dielettriche stabili ed eccellente resistenza all’umidità.
A base di carta
Componenti principali: carta in fibra di cellulosa + resina fenolica (ad es. FR-1, XPC). Costo contenuto ma prestazioni limitate.
Limiti: scarsa resistenza alla temperatura (in genere <130 °C), adatto solo per dispositivi a bassa potenza.
Base composita
Componenti principali: tessuto in fibra di vetro laminato con carta (ad es. CEM-1), equilibrio tra costo e prestazioni.
Applicazioni: schede di controllo per piccoli elettrodomestici, moduli elettronici nei giocattoli, ecc.
Classificazione in base alla funzione specifica
PCB a base metallica
A base di alluminio: eccezionale conducibilità termica, adatto per illuminazione a LED e amplificatori di potenza.
A base di rame: efficienza termica superiore di oltre tre volte rispetto a quelli a base di alluminio, utilizzati nelle apparecchiature di comunicazione ad alta frequenza.
PCB ad alta frequenza
PTFE (politetrafluoroetilene): bassa costante dielettrica (ε=2,0-2,5), tangente di perdita minima (tanδ<0,002), adatto per stazioni base 5G e sistemi radar.
Serie Rogers: offre prestazioni ad alta frequenza stabili con una precisione della costante dielettrica fino a ±0,02, rendendola la scelta preferita per i circuiti RF di fascia alta.
PCB a base ceramica
Ossido di alluminio (Al₂O₃), nitruro di alluminio (AlN): resistente alle alte temperature (>1000 °C) con eccezionali proprietà isolanti, utilizzato nei moduli semiconduttori aerospaziali e ad alta potenza.
Classificazione in base al tipo di via: via passante, via cieca, via sepolta.
Via passante: il foro attraversa l’intera scheda, con entrambe le estremità che terminano sullo strato superiore o inferiore (i due strati più esterni).
Via cieca: un’estremità del foro termina sullo strato superficiale (strato esterno), mentre l’altra termina su uno strato interno senza attraversare l’intera scheda.
Via sepolta: entrambe le estremità del foro si trovano all’interno della scheda, collegando solo due strati interni.
Fattori che influenzano il prezzo dei circuiti stampati PCB:
1.I costi dei circuiti stampati PCB variano in modo significativo a causa delle diverse scelte dei materiali. Prendendo come esempio un comune circuito stampato a doppia faccia, il substrato è tipicamente costituito da tipi FR4 (compresi i marchi Shengyi, Jiantou e Guojie, con prezzi decrescenti in quest’ordine). Lo spessore della scheda varia da 0.2 mm a 3.0 mm, mentre lo spessore del rame varia da 0,5 oz a 3 oz. Il substrato da solo determina quindi differenze di prezzo significative. Per quanto riguarda la scelta dell’inchiostro per maschera di saldatura, esiste anche una differenza di prezzo tra l’inchiostro termoindurente standard e l’inchiostro verde fotosensibile.
2.Le variazioni nei processi di finitura superficiale dei PCB contribuiscono ulteriormente alla diversità dei prezzi. I trattamenti comuni includono: OSP (fosforo stabilizzato con ossigeno), stagnatura a caldo con piombo, stagnatura a caldo senza piombo (conforme alle norme ambientali), doratura, doratura chimica e vari processi combinati. Questi processi generalmente aumentano il costo in modo sequenziale.
3.Anche la complessità della progettazione dei PCB influisce sul prezzo. Ad esempio, due schede con 1000 fori ciascuna possono comportare costi di foratura diversi se il diametro dei fori di una scheda supera 0.2 mm mentre quello dell’altra è inferiore a 0,2 mm. Allo stesso modo, se entrambe le schede hanno specifiche identiche tranne che per la larghezza e la spaziatura delle tracce (una superiore a 4 mil e l’altra inferiore a 4 mil), ciò genererà costi di produzione diversi. Inoltre, i progetti che utilizzano processi di produzione non standard, come fori passanti semicoperti, vie sepolte/cieche, fori nel pannello o stampa con inchiostro al carbonio su schede tastiera, comporteranno costi aggiuntivi.
4.Anche lo spessore della lamina di rame del PCB influisce sul prezzo. Gli spessori più comuni sono: 18 μm (1/2 oz), 35 μm (1 oz), 70 μm (2 oz), 105 μm (3 oz) e 140 μm (4 oz). Una lamina di rame più spessa comporta prezzi più elevati.
5.Gli standard di accettazione della qualità dei circuiti stampati variano da cliente a cliente, influenzando il prezzo. Gli standard comuni includono IPC2, IPC3, specifiche aziendali e standard militari. Standard più elevati corrispondono a costi maggiori.
6.Spiegazione dei costi di attrezzature e fissaggi
Per quanto riguarda i costi delle attrezzature: per i prototipi e la produzione di piccoli lotti, i produttori di PCB utilizzano tipicamente la foratura e la fresatura per la sagomatura dei pannelli, evitando così costi aggiuntivi per la fresatura dei bordi. Tuttavia, la produzione su larga scala richiede attrezzature per la punzonatura dei pannelli, con conseguenti costi per il set di attrezzature.
7.Impatto dei metodi di pagamento sui prezzi
Optare per metodi di pagamento con periodi di regolamento più brevi, come i pagamenti in contanti, comporta in genere prezzi più bassi.
8.Impatto della quantità dell’ordine e dei tempi di consegna sui prezzi
(1) Quantità dell’ordine: volumi di ordine più piccoli comportano costi unitari più elevati. Anche per la produzione di singole unità, i produttori di circuiti stampato devono completare tutti i processi, compresa la preparazione della documentazione tecnica e la produzione della pellicola, con conseguente aumento dell’allocazione dei costi unitari.
(2) Requisiti di tempo di consegna: i dati inviati al produttore di circuiti stampati devono essere completi e accurati. Ciò include specifiche dettagliate per i file Gerber, il numero di strati, il tipo di substrato, lo spessore del PCB, la finitura superficiale, il colore dell’inchiostro, il colore dei caratteri ed eventuali requisiti speciali.
