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Lo sviluppo di prototipi di PCB è un'attività interdisciplinare che combina diverse discipline, tra cui l'ingegneria elettrica, la scienza dei materiali e la produzione di precisione. Il prototipo di PCB viene sviluppato da un'organizzazione di ricerca e sviluppo industriale (R&S) allo scopo di convalidare il progetto del prototipo di PCB a fini produttivi e di creare un dispositivo funzionante per dimostrarne la fattibilità.
Integrità della progettazione e documentazione di produzione
Il flusso di lavoro dello sviluppo inizia con la sintesi del progetto, in cui uno schema elettrico è stato convertito in un layout fisico multistrato. In questa fase del processo di sviluppo, gli ingegneri devono tenere conto degli elementi parassiti, della dissipazione termica e dell'integrità del segnale. Inoltre, una pietra miliare molto importante nel corso dello sviluppo è la revisione del progetto per la produzione, in cui i vincoli del progetto vengono allineati con le capacità specifiche del produttore.
Per avviare il passaggio alla produzione fisica, è necessario compilare un set di dati di produzione standardizzati. La tabella seguente riassume i file essenziali richiesti dai partner di produzione e assemblaggio:
| Tipo di file | Standard del settore | Scopo tecnico |
| Immagini a strati | Gerber RS-274X / ODB++ | Definisce le tracce di rame, la maschera di saldatura e i modelli di serigrafia. |
| Dati di perforazione | Trapano NC / Excellon | Fornisce coordinate e diametri per tutti i fori placcati e non placcati. |
| Distinta dei materiali | DISTINTA BASE (CSV/XLSX) | Elenca gli MPN e i designatori di riferimento. |
| Pick-and-Place | File del centroide | Specifica le coordinate X-Y e la rotazione per il posizionamento SMT automatico. |
| Dettaglio impilamento | PDF / Testo | Definisce lo spessore dello strato, le costanti dielettriche e il peso del rame. |
Metallizzazione e creazione del substrato
Quando il progetto digitale viene confermato e verificato, l'azienda produttrice crea i PCB nudi veri e propri. Il metodo della fotolitografia applica la schema di circuito su un FR-4 rivestito di rame o su un laminato ad alta frequenza. Una volta rimosso il rame in eccesso dal PCB mediante incisione, i PCB multistrato vengono incollati insieme sotto calore e pressione estrema con una pressa di laminazione.
Durante la fabbricazione, ci sono tre elementi chiave da monitorare affinché il PCB sia prodotto secondo gli standard IPC di Classe 2 o Classe 3:
- Traccia e larghezza dello spazio: Distanza minima consentita tra gli elementi conduttori per eliminare la possibilità di un cortocircuito.
- Tramite il rapporto d'aspetto: Rapporto tra lo spessore del PCB e il diametro della punta, che influisce notevolmente sull'affidabilità del processo di placcatura.
- Requisiti dell'anello anulare: Quantità di rame che rimane intorno a un foro passante, fondamentale per la continuità elettrica.
- Finitura superficiale: Il metodo di applicazione di ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) o HASL (Hot Air Solder Leveling) sulle piazzole, che fornisce un rivestimento protettivo sulle piazzole e favorisce la saldatura.
Il processo di assemblaggio dei circuiti stampati trasforma il substrato nudo in un assemblaggio elettronico con funzionalità complete. Uno dei metodi più comuni per creare assemblaggi elettronici è quello di utilizzare Tecnologia a montaggio superficiale (SMT), che consente a entrambi i lati di un circuito stampato di contenere molti componenti in uno spazio ridotto.
Il processo di produzione standard è il seguente:
Pasta saldante applicata: Utilizzando uno stencil in acciaio inossidabile tagliato con il laser, applicare la pasta saldante (di solito la versione SAC305) sulle piazzole dei dispositivi montati in superficie.
IC Pick and Place: Le macchine robotizzate ad alta velocità preleveranno e posizioneranno i componenti attivi e passivi sul PCBA.
Riflusso: Il PCBA passerà attraverso un forno di riflusso con zone termiche multiple. Il profilo termico durante il riflusso della saldatura deve essere mantenuto attentamente per evitare di superare la temperatura nominale massima del circuito integrato.
Montaggio secondario: Quando le PCBA hanno componenti a foro passante (PTH) saldati manualmente o via onda, vengono aggiunti connettori e/o condensatori elettrolitici.
Garanzia di qualità e convalida funzionale
Il ciclo di collaudo è l'ultima fase dell'ordine dei prototipi e prevede un ciclo completo di convalida. Poiché i prototipi sono spesso sottoposti a molteplici revisioni del progetto, è necessario che eventuali errori durante il collaudo permettano al collaudatore di identificare se sono presenti difetti di fabbricazione o se esistono errori di progettazione.
Le strutture di prototipazione professionali utilizzano una combinazione delle seguenti metodologie di ispezione e test:
| Metodo | Tipo | Obiettivo primario di rilevamento |
| AOI | Ottica | Rilevamento di componenti obliqui, cortocircuiti a ponte e saldature insufficienti. |
| X-Ray (AXI) | Radiografico | Ispezione di giunti di saldatura nascosti sotto i pacchetti BGA o QFN. |
| Sonda volante | Elettrico | Verifica della continuità e dell'isolamento della netlist senza dispositivi personalizzati. |
| FCT | Funzionale | Caricamento del firmware per verificare che la scheda esegua le operazioni logiche previste. |
La finalizzazione del progetto attraverso i prototipi deve concludersi con un'analisi post mortem. Tutti i fili “bodge” o le patch hardware utilizzati durante il processo di prototipazione vengono registrati come Engineering Change Order (ECO). I dati ricavati da questa analisi vengono poi reinseriti nell'ambiente EDA per creare la successiva revisione della scheda. Questo metodo strutturato consente di ottimizzare i progetti finali per quanto riguarda la resa produttiva, i costi e la durata prima di passare alla produzione di massa.
