Che cos’è una scheda PCB? La scheda PCB, nota in cinese come “scheda a circuiti stampati”, è il supporto che collega elettricamente i componenti elettronici e svolge una funzione di trasmissione, motivo per cui viene definita la “madre dei prodotti elettronici”.
Nella produzione elettronica moderna, il scheda PCBè alla base della tecnologia SMT. Il cuore della tecnologia SMT consiste nel montare con precisione vari tipi di componenti, come resistori, condensatori e chip BGA, su specifici pad del scheda PCB. Ciò richiede che la posizione e le dimensioni dei pad sul scheda PCB corrispondano rigorosamente al packaging dei componenti utilizzati nella tecnologia SMT. Ad esempio, per un resistore di tipo 0402, le dimensioni del pad corrispondente devono essere 0,4 mm × 0,2 mm; solo soddisfacendo tali requisiti di corrispondenza è possibile garantire il corretto svolgimento del processo SMT e la qualità del prodotto finale.
Allo stesso tempo, il processo SMT conferisce al scheda PCB un valore aggiunto. Grazie alla tecnologia SMT, i componenti possono essere montati ad alta densità su entrambi i lati del scheda PCB. Questo tipo di montaggio ad alta densità ha notevolmente favorito lo sviluppo verso la miniaturizzazione dei dispositivi elettronici. Prendiamo ad esempio la scheda madre di un telefono cellulare: è proprio grazie al processo SMT che il chip BGA viene montato sul scheda PCB, consentendo così una connessione ad alta densità “senza piedini” e, di conseguenza, l’integrazione di più funzioni in uno spazio limitato, migliorando le prestazioni complessive e la competitività dei dispositivi elettronici.
I scheda PCB si dividono principalmente nelle seguenti tre tipologie:
1.PCB monofaccia
PCB monofaccia (Single-Sided Boards) In un PCB di base, i componenti sono concentrati su un lato, mentre i conduttori sono concentrati sull’altro lato (quando sono presenti componenti a montaggio superficiale, questi si trovano sullo stesso lato dei conduttori, mentre i componenti a innesto si trovano sull’altro lato) . Poiché i conduttori sono presenti solo su un lato, questo tipo di PCB è chiamato scheda a singolo lato (Single-sided). A causa delle numerose restrizioni rigorose nella progettazione dei circuiti (poiché c’è un solo lato, i tracciati non possono incrociarsi e devono seguire percorsi separati), questo tipo di scheda è utilizzato solo nei circuiti di prima generazione.
2.Circuito stampato doppia faccia
La caratteristica distintiva delle circuito stampato doppia faccia (Double-Sided Boards) è che il layout del circuito copre entrambi i lati, ma la connessione elettrica tra i tracciati su entrambi i lati dipende da una specifica struttura di collegamento tra gli strati. Questo mezzo di collegamento è chiamato via (Via), che consiste essenzialmente in un micro foro metallizzato praticato nel substrato del PCB, che tramite placcatura o riempimento con materiale conduttivo forma un canale di interconnessione elettrica tra i due lati.
Rispetto alle schede a singolo lato, le schede a doppio lato raddoppiano l’area disponibile per il cablaggio, superando efficacemente il collo di bottiglia di layout causato dall’intreccio dei circuiti nelle schede a singolo lato: i progettisti possono deviare i circuiti che si incrociano verso l’altro lato tramite i fori passanti, aumentando così notevolmente la complessità del circuito.
Grazie a questa caratteristica, le circuito stampato doppia faccia sono diventate il supporto principale per i prodotti elettronici di media complessità e sono ampiamente utilizzate in scenari di progettazione di circuiti che richiedono l’implementazione di più moduli funzionali o l’interazione dei segnali.
3.PCB multistrato
I pcb multistrato (Multilayer Boards) espandono lo spazio di cablaggio sovrapponendo più strati di circuiti conduttivi. La loro struttura è solitamente composta da un circuito stampato doppia faccia come strato interno e da un circuito stampato a singola faccia come strato esterno (o da due strati interni + due strati esterni), con ogni strato pressato alternativamente tramite un sistema di posizionamento e materiale adesivo isolante, realizzando l’interconnessione dei tracciati conduttivi secondo i requisiti di progettazione, in modo da formare circuiti stampati a quattro, sei o più strati.
È importante notare che il numero di strati della scheda non corrisponde esattamente al numero di strati di cablaggio indipendenti: in casi particolari è possibile aggiungere strati vuoti per regolare lo spessore della scheda, pertanto i pcb multistrato adottano solitamente una progettazione a numero pari di strati (compresi i due strati più esterni). Attualmente, le schede madri più diffuse adottano strutture da 4 a 8 strati.
In teoria, il numero di strati di un PCB può raggiungere quasi un centinaio, ma nell’applicazione pratica, sebbene i supercomputer di grandi dimensioni abbiano ampiamente utilizzato schede madri con un numero di strati molto elevato, con la diffusione della tecnologia di calcolo in cluster, questo tipo di schede multistrato è gradualmente uscito dal mercato mainstream. Poiché gli strati del scheda PCB sono strettamente integrati, è difficile distinguere il numero di strati a occhio nudo, ma è comunque possibile determinarlo approssimativamente osservando la sezione trasversale della scheda madre.
Classificazione e funzioni degli strati del scheda PCB:
Strati di segnale (Signal Layers)
Strato superiore (Top Layer) e strato inferiore (Bottom Layer): utilizzati per il tracciato dei circuiti e il posizionamento dei componenti, sono gli strati conduttivi più basilari del scheda PCB.
Strati meccanici (Mechanical Layers)
Strato meccanico (Mechanical Layer): utilizzato per definire le dimensioni esterne del PCB, la posizione dei fori di montaggio e altre informazioni relative alla struttura meccanica; non possiede proprietà elettriche. Di solito è possibile impostare fino a 16 strati meccanici.
Strati serigrafati (Silkscreen Layers)
Top Overlay (serigrafia superiore) e Bottom Overlay (serigrafia inferiore): utilizzati per identificare i codici dei componenti, le annotazioni, i loghi e altre informazioni di assemblaggio; solitamente di colore bianco, realizzati con il processo di serigrafia.
Livelli pasta saldante (Paste Layers)
Top Paste (pasta saldante superiore) e Bottom Paste (pasta saldante inferiore): servono a indicare la posizione dei pad su cui applicare la pasta saldante nel processo SMT (tecnologia di montaggio superficiale) e sono livelli fondamentali per la saldatura a montaggio superficiale.
Livelli di foratura (Drill Layers)
Drill Grid (griglia di foratura) e Drill Drawing (disegno di foratura): utilizzati per fornire informazioni sulla foratura durante il processo di produzione del PCB, comprese le posizioni e le dimensioni dei fori passanti, dei pad e simili.
Strato Keep Out (Keep Out Layer)
Utilizzato per definire i confini del PCB, le scanalature, gli incavi e altre aree non destinate al cablaggio, limitando l’area di posizionamento dei conduttori e dei componenti, garantendo l’integrità e la sicurezza del progetto del circuito.
Multi Layer
Multi Layer è uno strato astratto utilizzato per rappresentare i percorsi di connessione elettrica degli elementi che devono attraversare l’intero PCB (come piazzole a innesto diretto, fori passanti, ecc.). La grafica su questo strato si riflette su tutti gli strati conduttivi (ad eccezione degli strati di piano), ed è solitamente utilizzata per definire fori placcati (PTH) o non placcati (NPTH).
Come progettare un scheda PCB
La progettazione PCB costituisce una fase dello sviluppo dell’hardware di un prodotto ed è un’importante attività di ricerca e sviluppo che fa da ponte tra la progettazione dello schema elettrico e la produzione del circuito stampato. Il flusso di lavoro del progetto è il seguente:
1) All’inizio del progetto è necessario verificare che tutti i materiali necessari siano completi: inclusi schema elettrico, schema strutturale, libreria dei componenti, diagramma di flusso dei segnali per prodotti complessi, albero di alimentazione, descrizioni dei segnali chiave, valori di corrente di alimentazione, requisiti di progettazione, ecc.
2) Inserimento delle informazioni di progettazione: include l’importazione della netlist e dello schema strutturale. Dopo l’importazione dello schema strutturale, occorre prestare particolare attenzione alle dimensioni dei fori per le viti e di alcuni fori di posizionamento, alle aree di esclusione per componenti e tracce, alle aree con limiti di altezza e alla posizione dei connettori.
3) Layout: sulla base di una valutazione complessiva dei requisiti relativi a qualità del segnale, EMC, progettazione termica, DFM, DFT, struttura e norme di sicurezza, i componenti vengono posizionati in modo razionale sulla superficie della scheda. L’approccio di base al layout, oltre ai vincoli strutturali, consiste principalmente nel combinare il flusso dei segnali e quello dell’alimentazione.
4) Vincoli di tracciatura: i vincoli di tracciatura si dividono principalmente in larghezza delle linee, spaziatura e uguale lunghezza. Alcune regole richiedono una simulazione preliminare come guida, come la lunghezza delle linee, l’impedenza, la struttura topologica e la struttura a strati.
5) Tracciatura: la tracciatura è la fase più impegnativa della progettazione PCB e richiede molta attenzione a diversi aspetti, quali l’impedenza delle linee, la continuità del piano di riferimento, l’EMC, SI/PI, DFM e altri.
6) Revisione + verifica tramite simulazione post-progettazione: una volta completata la tracciatura, è necessaria una revisione da parte di personale esperto del reparto, nonché una simulazione dei segnali chiave e dell’alimentazione.
7) Produzione: una volta verificata la correttezza della progettazione PCB, è possibile generare i file di fotolito per la produzione.
Essendo il supporto centrale dei prodotti elettronici, il livello di progettazione e produzione dei circuiti stampati determina direttamente le prestazioni e l’affidabilità del prodotto. In futuro, con la diffusione di tecnologie quali il 5G, l’intelligenza artificiale e l’Internet delle cose, i scheda PCB si evolveranno verso un numero maggiore di strati, larghezze di linea più sottili e materiali ad alta frequenza e velocità (come il PTFE a bassa perdita), dovendo al contempo soddisfare i rigorosi standard di certificazione dei settori dell’elettronica automobilistica e delle apparecchiature mediche.
