Che cos'è un circuito stampato (PCB)? Significato e tipi

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Attualmente, i circuiti stampati costituiscono quasi tutti i dispositivi elettronici. Il termine printed circuit board sta per “circuito stampato”. Servendo da solida base per le nuove tecnologie elettroniche di oggi, tutte le piccole parti in grado di far funzionare un dispositivo si attaccheranno in qualche modo a questo materiale, che creerà quindi i percorsi elettrici necessari per far comunicare le piccole parti tra loro.

Il PCB e i suoi usi

Il PCB è una scheda piatta non conduttiva realizzata con un materiale non conduttivo che contiene fisicamente i componenti. Su questa scheda sono presenti una serie di sottili fili di rame, chiamati tracce, che trasferiscono i segnali elettrici da un componente all'altro, in modo simile a come i fili trasferiscono i segnali.

Se non ci fosse il circuito stampato, il collegamento di tutti questi singoli componenti creerebbe migliaia di cablaggi indipendenti; di conseguenza, la produzione su larga scala sarebbe impossibile e non affidabile.

Una scheda risolve due problemi principali:

1. Il montaggio fisico del componente avverrà in una posizione specifica per facilitare l'assemblaggio sistematico dei componenti e la scalabilità della produzione.
2. Le tracce di rame forniscono un circuito elettrico stabile e consolidato per consentire un trasferimento elettrico costante e affidabile.

Una scheda di circuito completata con tutte le parti elettroniche saldate su di essa è chiamata "scheda di circuito". assemblaggio di circuiti stampati. Pertanto, la differenza tra PCB e PCBA è che il PCB è una scheda di circuito nuda, mentre il PCBA è una scheda di circuito finita e perfettamente funzionante.

Come funziona un PCB?

Il compito di un circuito stampato è molto elementare ma molto importante: dirigere l'alimentazione attraverso le varie parti del circuito.

Il primo passo del processo è la progettazione: uno schema del circuito che include la posizione di ogni pezzo e il modo in cui l'elettricità viaggerà attraverso ciascuno di essi. Il circuito stampato è spesso realizzato con un tipo di fibra di vetro composita, nota come FR-4, che non conduce elettricità per evitare che i segnali elettrici che viaggiano attraverso ogni traccia interferiscano tra loro.

Suggerimento: FR-4 è l'abbreviazione di “Flame Retardant 4”.

In genere, il PCB viene assemblato collegando i componenti alle rispettive piazzole mediante saldatura. La saldatura è una lega metallica che si scioglie facilmente, formando una forte connessione elettrica e meccanica tra i conduttori dei componenti e le piazzole del PCB.

Quando il dispositivo viene alimentato, il circuito stampato invia l'alimentazione a tutti i componenti attraverso le sue tracce e, allo stesso tempo, invia segnali di dati attraverso diverse tracce per fornire ai componenti le indicazioni per il funzionamento. Questa organizzazione del flusso di elettricità è ciò che rende un dispositivo moderno così affidabile e conveniente.

Quali componenti costituiscono un PCB?

Sebbene i circuiti stampati possano sembrare identici, in realtà sono costituiti da più strati, pressati insieme per creare un unico pannello. I seguenti strati costituiscono ciò che chiamiamo circuito stampato:

Substrato: È la parte principale di un PCB e di solito rappresenta l'area più estesa della scheda. Tipicamente realizzato in materiale FR-4, funge da struttura, fornisce l'isolamento elettrico ed è ignifugo.

Strato di rame: Ogni PCB ha uno strato di rame che consiste in sottili lamine di rame laminate sulla parte superiore e/o inferiore del substrato. I PCB a più strati presentano strati di rame separati da strati di substrato, con il rame inciso per lasciare solo il modello di circuito utilizzato per definire i percorsi e i punti del circuito.

Maschera di saldatura: la maschera di saldatura viene applicata sopra uno strato di rame e realizzata con un rivestimento polimerico. La maschera di saldatura impedisce l'ossidazione del rame e previene i “ponti di saldatura”, una connessione elettrica involontaria tra due punti.

La serigrafia. Lo strato di serigrafia, che nella maggior parte dei casi viene stampato con inchiostro bianco, serve come riferimento per gli ingegneri e gli assemblatori per individuare i vari componenti sui circuiti stampati.

Quali tipi di PCB esistono?

I PCB sono classificati principalmente in base al numero di strati e alla rigidità.

È classificata per strati.

Single Sided - È il tipo più semplice ed economico. I componenti e le tracce si trovano su un solo lato del PCB. Questo tipo è utilizzato in dispositivi come le calcolatrici.

Double Sided - Questo tipo presenta tracce di rame su entrambi i lati del PCB. I due lati sono collegati tra loro mediante fori placcati chiamati vias. Questo tipo di circuito è tipicamente utilizzato nei controlli industriali e nei circuiti di alimentazione.

A tre strati - Utilizzato negli smartphone e nei computer portatili. Questo tipo è costituito da tre o più strati di rame che sono stati laminati insieme per consentire la densificazione e l'instradamento di segnali complessi.

È classificato in base alla rigidità.

Rigidi - Realizzati in materiali solidi, come l'FR-4. I rigidi non sono in grado di piegarsi. Le schede madri dei computer ne sono un buon esempio.

Circuito flessibile - Costruito su una pellicola di plastica flessibile. I circuiti flessibili possono essere piegati o curvati per adattarsi a luoghi come le fotocamere e i dispositivi indossabili.

Circuito rigido-flessibile - Una combinazione ibrida che presenta una coda flessibile che collega schede rigide. Questo elimina l'uso di connettori e cavi pesanti ed è ideale per le applicazioni aerospaziali e militari.

Il processo di progettazione e produzione dei circuiti stampati

La creazione di PCB funzionali richiede tre fasi essenziali: la progettazione, produzione, e assemblea.

Durante la fase schematica, gli ingegneri progettano un diagramma logico e definiscono il funzionamento di tutti i circuiti e le connessioni di un PCB con un software CAD.

Nella fase di layout fisico, i progettisti posizionano le impronte digitali sul PCB e quindi instradano le tracce per collegarle tra loro senza interferire.

Come parte del processo di progettazione, vengono eseguiti i controlli delle regole di progettazione per convalidare che il progetto soddisfi le capacità di produzione richieste per evitare che il PCB si guasti a causa di componenti fuori specifica.

I file Gerber vengono esportati dal software CAD. I file Gerber contengono tutti i dati necessari alla fabbrica per produrre un PCB, compresi gli strati di rame, la maschera di saldatura, ecc.

Dopo aver ricevuto i file Gerber, la fabbrica inizia il processo di fabbricazione tagliando un substrato per il PCB, praticando i fori e incidendo i modelli di rame con fotoresistenza e luce ultravioletta.

Dopo la realizzazione del PCB nudo, inizia l'assemblaggio. Le macchine pick-and-place posizionano automaticamente i dispositivi a montaggio superficiale sulle piazzole. Successivamente, i PCB passano attraverso la saldatura a rifusione. Il calore prodotto dalla saldatura a rifusione scioglie la pasta saldante per fissare in modo permanente i dispositivi SMD al PCB.

Infine, prima di essere spedite ai clienti, le schede completate vengono testate elettricamente con sonde per garantire l'assenza di circuiti aperti o corti.

Dove vengono utilizzati i PCB?

I PCB sono presenti in quasi tutti i moderni prodotto elettronico, con applicazioni che abbracciano i settori industriali e la vita quotidiana.

• Elettronica di consumo: I PCB multistrato ad alta densità alimentano computer portatili, smartphone e dispositivi per la casa intelligente; l'innovazione dei PCB spinge i gadget più piccoli e più potenti.
• Computer e forniture per ufficio: Le schede madri dei desktop e le apparecchiature per ufficio si basano sui PCB.
• Settore automobilistico: Un utente di PCB in rapida crescita: le centraline delle auto moderne dipendono dai PCB. I sistemi avanzati di assistenza alla guida e i veicoli elettrici incrementano la domanda di robusti PCB di tipo automobilistico.
• Applicazioni industriali: I circuiti stampati durevoli supportano i sistemi di controllo della produzione, la robotica e le tecnologie intersettoriali (ad esempio, i sistemi di controllo della produzione), rilevamento della composizione dei fertilizzanti sistemi). Resistono a condizioni difficili.
• Settore medico: I circuiti stampati specializzati consentono di realizzare dispositivi affidabili, spesso utilizzando design rigidi e flessibili compatti.
• Militare/aerospaziale: I PCB all'avanguardia funzionano perfettamente in ambienti estremi e rappresentano una tecnologia PCB di alto livello.

Conclusione

I circuiti stampati sono un pezzo di tecnologia semplice ma incredibilmente importante e potente. L'uso dei circuiti stampati assume molte forme, dai semplici PCB monofacciali a quelli più complessi, rigidi e flessibili, che forniscono supporto strutturale e i percorsi elettrici che alimentano il nostro mondo. I circuiti stampati sono anche il fondamento di gran parte della tecnologia di cui disponiamo oggi nei computer, nei dispositivi mobili e nelle automobili.