I circuiti stampati multistrato sono realizzati incollando e laminando alternativamente tre o più modelli conduttivi con materiali isolanti. Questa struttura non solo facilita la connettività elettrica tra gli strati, ma fornisce anche un isolamento elettrico tra di essi. Le configurazioni comuni dei circuito stampato multistrato includono strati di segnale, piani di alimentazione interni (che mantengono gli strati di alimentazione interni) e piani di massa.
Il numero di strati nei circuiti stampati multistrato è in genere pari, ad esempio 4, 6 o 8 strati. Questo perché le strutture simmetriche aiutano a ridurre al minimo i problemi di deformazione durante il processo di produzione. I collegamenti elettrici tra ogni strato sono realizzati tramite vie, che includono fori passanti, vie cieche e vie sepolte, ciascuna delle quali soddisfa diversi requisiti di collegamento tra gli strati.
Composizione base dei PCB multistrato
I PCB multistrato adottano una struttura laminata di tipo sandwich, ottenuta mediante sovrapposizione alternata di strati conduttivi, strati isolanti, vie, strati di finitura superficiale e altri elementi. La loro composizione fondamentale è costituita dalle parti principali di seguito riportate:
Strati conduttivi
Composizione: fogli di rame ad elevata purezza, ovvero rame elettrodeposto o rame laminato, sui quali si formano le piste circuitali dopo il processo di incisione.
Funzione: trasmissione dei segnali e distribuzione dell’alimentazione elettrica. Si classificano secondo le funzioni nel modo seguente:
Strati di segnale: disposti sullo strato superiore, sullo strato inferiore o tra gli strati interni, adibiti al tracciamento delle piste di segnale e al montaggio dei componenti elettronici.
Piani di alimentazione e piani di massa: collocati negli strati interni. Forniscono un’alimentazione stabile e un potenziale di massa di riferimento ai circuiti, garantendo contemporaneamente schermatura elettromagnetica per ridurre le interferenze.
Strati isolanti
Composizione: Core e Prepreg.
Funzione: assicurare l’isolamento elettrico e il supporto meccanico, mantenendo uno spessore interstrato uniforme.
Core: substrato rigido di supporto intermedio realizzato con tessuto di fibra di vetro impregnato di resina epossidica, ad esempio FR-4, rivestito da fogli di rame su entrambe le facce per fornire la resistenza meccanica di base.
Prepreg: tessuto di fibra di vetro impregnato di resina epossidica semicotta, interposto tra i core o i fogli di rame. Durante la laminazione ad alta temperatura e alta pressione fonde e polimerizza, fungendo da materiale adesivo e riempitivo per garantire l’isolamento elettrico tra gli strati.
Vie
Composizione: fori metallizzati integrati nel PCB con deposizione di rame sulle pareti interne.
Funzione: realizzare interconnessioni elettriche tra strati conduttivi diversi. Si distinguono in base alla posizione: vie passanti che attraversano tutta la scheda, vie cieche che collegano gli strati superficiali agli strati interni e vie interrate che connettono solamente strati interni.
Finitura superficiale e strati ausiliari
Maschera di saldatura: rivestimento in inchiostro che ricopre gli strati conduttivi ad eccezione delle piazzole, generalmente di colore verde. Previene la formazione di ponti di saldatura e cortocircuiti, definendo le aree destinate alla saldatura.
Strato di serigrafia: testi e grafici stampati sulla maschera di saldatura, solitamente di colore bianco, sui quali vengono riportati i codici identificativi dei componenti, gli indicatori di polarità, le informazioni sulla versione e altri dati, per agevolare il montaggio e la manutenzione dei componenti.
Finitura superficiale: materiali di rivestimento applicati sulle piazzole, come ENIG, HASL e OSP, per evitare l’ossidazione del rame e migliorare la saldabilità.
Logica di stratificazione
I PCB multistrato vengono prodotti sovrapponendo alternativamente core, prepreg e fogli di rame, a cui segue il processo di laminazione ad alta temperatura e alta pressione. Le vie metallizzate realizzano i collegamenti elettrici tra i singoli strati, andando a formare complesse strutture di interconnessione multistrato.
Substrati comuni per PCB multistrato
Substrati standard universali (i maggiormente utilizzati)
FR-4 (laminato epossidico rinforzato con fibra di vetro): substrato dominante per i PCB multistrato. Realizzato con resina epossidica rinforzata da tessuto di fibra di vetro, offre un eccellente isolamento elettrico, elevata resistenza meccanica, buona resistenza termica e proprietà dielettriche stabili con un ottimo rapporto costo-prestazioni.
Viene ampiamente impiegato nelle apparecchiature di controllo industriale, nell’elettronica di consumo, negli alimentatori standard e nella maggior parte delle applicazioni convenzionali di PCB multistrato.
Substrati ad alta frequenza e alta velocità (per applicazioni ad alta frequenza e segnali rapidi)
Substrati in PTFE (politetrafluoroetilene): presentano una costante dielettrica estremamente bassa, compresa tra 2,0 e 3,0, e un fattore di dissipazione molto ridotto, riducendo notevolmente l’attenuazione del segnale. Si tratta del substrato preferenziale per applicazioni RF, microonde, comunicazioni satellitari e PCB multistrato operanti oltre i 10 GHz, anche se il suo costo è relativamente elevato.
Materiali ad alta frequenza a base di resina epossidica modificata o resina idrocarburica, ad esempio RO4350 e S1139: costante dielettrica stabile e basso fattore di dissipazione, con lavorabilità simile all’FR-4. Sono adatti per PCB multistrato operativi a frequenze inferiori a 3 GHz, comprese apparecchiature di comunicazione 5G, server di fascia alta e radar a onde millimetriche. Il loro costo è leggermente superiore a quello dell’FR-4.
Substrati ad alto Tg e resistenti alle alte temperature (ambienti operativi ad alta potenza e alte temperature)
FR-4 ad alto Tg, come Tg150 e Tg170: versione migliorata dell’FR-4 standard con temperatura di transizione vetrosa superiore, che garantisce una migliore resistenza termica e stabilità dimensionale. Indicato per applicazioni ad alta potenza, caratterizzate da una forte generazione di calore o che richiedono elevata affidabilità, tra cui l’elettronica automotive, i sistemi di controllo industriale e la laminazione di PCB con elevato numero di strati.
Substrati a base metallica (PCB con base in alluminio o rame): elevata conducibilità termica, utilizzati per applicazioni ad alta corrente e forte dissipazione di calore come l’illuminazione a LED, i sistemi di controllo elettronico per veicoli a energia nuova e gli alimentatori ad alta potenza. Si tratta di schede a funzione speciale e non costituiscono il substrato principale dei PCB multistrato convenzionali.
Substrati economici di fascia bassa (applicazioni con requisiti prestazionali limitati)
Substrati a base di carta o compositi, come FR-1, FR-2, CEM-1 e CEM-3: costo di materiale ridotto, ma prestazioni di resistenza meccanica, resistenza termica e isolamento inferiori rispetto all’FR-4. Vengono utilizzati principalmente per schede semplici con pochi strati e requisiti prestazionali modesti, come piccoli elettrodomestici, giocattoli elettronici e controller di fascia bassa, mentre sono raramente impiegati nella realizzazione di PCB multistrato professionali.
Substrati speciali (requisiti ambientali e strutturali particolari)
Substrati in poliimmide (PI): eccellente resistenza alle temperature e buona flessibilità, utilizzati soprattutto nei PCB multistrato flessibili (FPC) o nelle schede rigido-flessibili, ad esempio cavi per telefoni cellulari, moduli fotocamera e dispositivi indossabili.
Substrati ceramici: combinano elevata conducibilità termica e prestazioni di isolamento superiori, destinati ai dispositivi a semiconduttore di potenza e alle applicazioni di packaging di fascia alta. Il costo di questo materiale è estremamente elevato, per cui il suo utilizzo nei PCB multistrato è limitato.
Vantaggi dei circuiti stampati multistrato
Elevata integrazione e capacità di progettazione complessa
Aumentando il numero di strati conduttivi interni, i PCB multistrato consentono layout di circuiti a densità più elevata in spazi ristretti, soddisfacendo i requisiti di progettazione di sistemi elettronici complessi. Gli smartphone ne sono un esempio, dove componenti altamente integrati e circuiti complessi si affidano alla tecnologia delle schede multistrato per il consolidamento funzionale.
Ottimizzazione delle caratteristiche elettriche superiori
La struttura multistrato incorpora piani di massa e strati di schermatura, migliorando significativamente la qualità della trasmissione dei segnali ad alta velocità. Questo design sopprime efficacemente le interferenze elettromagnetiche (EMI), salvaguardando l’integrità del segnale sia per i circuiti digitali ad alta frequenza che per quelli analogici.
Allo stesso tempo, la riduzione dei percorsi di trasmissione del segnale riduce al minimo i ritardi di propagazione, accelerando i tempi di risposta del sistema. Le applicazioni tipiche includono le schede madri dei computer ad alta velocità, che si affidano ad architetture multistrato per garantire velocità di trasferimento dati stabili e affidabilità.
Design compatto e leggero
Rispetto alle schede a singolo/doppio strato, le circuito stampato multistrato ospitano più circuiti nello stesso ingombro, riducendo così le dimensioni e il peso del PCB. Questa caratteristica è particolarmente importante per i dispositivi con spazio limitato, come i dispositivi indossabili e l’elettronica aerospaziale. Prendiamo ad esempio l’Apple Watch Series 8: il suo design a scheda multistrato integra funzioni complesse come il biosensing e la comunicazione wireless in un involucro miniaturizzato, mantenendo al contempo le proprietà di leggerezza.
Maggiore affidabilità strutturale
Nonostante la complessità di produzione, la struttura di interconnessione tridimensionale delle circuito stampato multistrato (ottenuta attraverso connessioni tra gli strati) aumenta significativamente la resistenza meccanica e la resistenza alle vibrazioni. Questa integrità strutturale garantisce connessioni elettriche stabili anche in ambienti difficili, rendendo le schede multistrato adatte ad applicazioni esigenti nel controllo industriale e nell’elettronica automobilistica, dove l’affidabilità è fondamentale.
Processo di fabbricazione dei PCB multistrato
Fabbricazione dei core: realizzazione della modellazione degli strati interni, incisione e controllo AOI sui pannelli core.
Stratificazione e laminazione: disposizione dei core e dei prepreg secondo la sequenza progettata, seguita dalla laminazione ad alta temperatura e alta pressione.
Perçaggio e metallizzazione: realizzazione delle vie mediante foratura e deposizione di rame chimico per garantire le interconnessioni tra strati.
Fabbricazione degli strati esterni: modellazione delle piste conduttive superiori e inferiori tramite esposizione e incisione.
Finitura superficiale: applicazione di HASL, ENIG, OSP oppure IAg per prevenire l’ossidazione del rame.
Maschera di saldatura e serigrafia: deposizione della maschera di saldatura e stampa delle diciture di identificazione dei componenti.
Détourage e collaudi: taglio delle schede secondo la forma richiesta, esecuzione del collaudo elettrico, verifica dell’impedenza e controllo visivo prima della spedizione.
Campi di applicazione dei circuiti stampati multistrato:
Il settore delle comunicazioni rappresenta uno dei settori più importanti e vasti per le applicazioni dei PCB multistrato.
Nei dispositivi di comunicazione contemporanei, come smartphone e router Wi-Fi, i PCB multistrato sono diventati componenti fondamentali alla base della loro evoluzione tecnologica. Grazie alla progettazione tridimensionale del routing, questa tecnologia consente l’integrazione di componenti ad alta densità in spazi ristretti. Allo stesso tempo, la sua struttura a strati crea percorsi di segnale a bassa impedenza, migliorando significativamente la velocità di trasmissione dei dati. Ciò è perfettamente in linea con la tendenza del settore verso la miniaturizzazione e le elevate prestazioni dei dispositivi di comunicazione.
Fondamentalmente, gli strati di schermatura e i sistemi di messa a terra integrati nei circuiti stampati multistrato formano un’efficace struttura di isolamento elettromagnetico. Ciò riduce notevolmente l’impatto delle interferenze esterne sull’integrità del segnale. Questa proprietà di resistenza alle interferenze garantisce collegamenti di comunicazione stabili in ambienti elettromagnetici complessi, fornendo un supporto hardware affidabile per funzioni fondamentali come le chiamate vocali e la trasmissione dei dati. Ciò migliora direttamente la qualità della comunicazione e la soddisfazione degli utenti.
Settore dell’elettronica di consumo:
Dagli smartphone, ai tablet, ai televisori, agli elettrodomestici, praticamente tutti i dispositivi elettronici di consumo si affidano a circuiti stampati multistrato per collegare e comunicare tra i moduli funzionali. Il routing ad alta densità e il design compatto dei PCB multistrato consentono a questi dispositivi di diventare più sottili, leggeri e portatili, migliorandone al contempo le prestazioni e la funzionalità.
Elettronica automobilistica:
Con il continuo progresso dell’intelligenza automobilistica, un numero crescente di componenti elettronici viene integrato nei veicoli, con i PCB multistrato che fungono da ponte critico per l’interconnessione e la comunicazione tra questi componenti. La loro tolleranza alle alte temperature e la resistenza alle vibrazioni garantiscono un funzionamento stabile in ambienti automobilistici difficili, salvaguardando l’affidabilità dei sistemi elettronici dei veicoli.
Nelle applicazioni di controllo industriale, i PCB multistrato vengono utilizzati in diversi controller e apparecchiature di automazione. Questi dispositivi richiedono un controllo e un’elaborazione precisi dei segnali; l’elevata precisione e affidabilità dei PCB multistrato soddisfano i severi requisiti degli ambienti industriali, garantendo processi di produzione stabili e sicuri.
Nelle applicazioni aerospaziali, i circuiti stampati multistrato sono preferiti per le loro dimensioni compatte, la struttura leggera e le prestazioni stabili. Ne sono un esempio i sistemi elettronici e le apparecchiature di navigazione degli aerei, dove questi circuiti soddisfano rigorosi vincoli di dimensioni e peso, garantendo al contempo un funzionamento affidabile in condizioni estreme.
All’interno delle apparecchiature mediche, come i sistemi di risonanza magnetica (MRI) e gli scanner TC, i circuiti stampati multistrato costituiscono componenti fondamentali. Questi dispositivi elaborano grandi quantità di dati di imaging medico e segnali di controllo complessi, rendendo le elevate prestazioni e la stabilità dei circuiti stampati multistrato fondamentali per l’accuratezza diagnostica e la sicurezza delle apparecchiature.
