I circuiti stampati sono il cuore dell'industria elettronica. Sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, dall'elettronica di consumo ai complessi settori aerospaziale e militare. Le considerazioni sulla progettazione variano in base ai requisiti del prodotto finale. I PCB militari e aerospaziali seguono gli standard di progettazione più severi e rigorosi poiché devono operare in condizioni ambientali critiche con esposizione a vibrazioni, contaminazioni e temperature estreme. Questo articolo rappresenta una panoramica sui requisiti e le regole di progettazione dei circuiti stampati per il settore militare e aerospaziale.
Introduzione - I PCB
I circuiti stampati (PCB, Printed Circuit Board) sono gli elementi fondamentali della maggior parte dei dispositivi elettronici moderni su cui sono assemblati tutti gli altri componenti elettronici. Una scheda di un circuito è un pezzo sottile e piatto di materiale dielettrico su cui sono incisi percorsi sotto forma di tracce conduttive. Questi circuiti conduttivi, solitamente in rame, collegano vari componenti elettronici instradando segnali elettrici e alimentazione all'interno e tra i dispositivi. I PCB hanno numerosi vantaggi. Il loro design piccolo e leggero è adatto per l'uso in molti dispositivi moderni, mentre la loro affidabilità e facilità di manutenzione li rendono adatti all'integrazione in sistemi complessi. Inoltre, il basso costo di produzione li rende un’opzione altamente conveniente. Il Circuit Card Assembly (CCA) è il processo di produzione di assemblaggi di schede di circuiti. Questo processo prevede l'incisione di modelli su un substrato dielettrico, come ad esempio FR-4, e quindi l’inserimento di componenti elettronici al substrato.
Il primo passo di questo processo è creare il progetto di una scheda di circuito. Questo progetto viene creato utilizzando il software CAD (progettazione assistita da computer). Una volta completato il progetto, viene inviato ad un sistema CAM (produzione assistita da computer). Il sistema CAM utilizza il progetto per generare i percorsi di utensileria e le istruzioni necessari per produrre la scheda del circuito. Il passaggio successivo consiste nell'incidere i simboli desiderati sul substrato. Questo viene in genere fatto utilizzando un processo fotochimico. Una volta incisi i simboli, i componenti elettronici vengono posizionati sul substrato e saldati. Una volta completato il processo di saldatura, la scheda del circuito viene pulita e controllata per verificarne la qualità. Una volta superata l'ispezione, la scheda è pronta per l'uso.
I materiali principali utilizzati nella produzione di PCB sono substrati in fibra di vetro o plastica, rame, maschera di saldatura e inchiostro per nomenclatura. Grazie alla sua elevata conduttività elettrica, il rame è il materiale conduttore più utilizzato per i circuiti dei PCB. Lo scopo del substrato è quello di fornire una base non conduttiva su cui i circuiti conduttivi possono essere costruiti e isolati l'uno dall'altro. I laminati in poliimmide e LCP vengono generalmente utilizzati in applicazioni ad alta affidabilità o ad alta velocità del segnale. I laminati di poliestere e polietilene naftalato sono scelti principalmente per il loro basso costo e di solito sono costituiti solo da singoli strati di circuiti.
I PCB possono essere costruiti su materiali di base rigidi o flessibili a seconda del progetto di PCB previsto. I PCB rigidi utilizzano spesso fibra di vetro FR-4 o poliimmide, mentre i circuiti flessibili e gli strati flessibili rigido-flessibili utilizzano tipicamente pellicole di poliimmide ad alta temperatura. Lo spessore e il numero di strati richiesti dipendono in gran parte dall'applicazione per la quale verrà utilizzato il PCB. Possono variare in complessità da semplici schede a strato singolo a schede circuitali a più strati (PCB Multistrato), ad altissima densità e ad alta velocità utilizzate nei supercomputer e nei server. I PCB multistrato sono costruiti alternando strati di circuiti in rame e materiali isolanti per completare il PCB. La Figura 1 illustra schematicamente la composizione di un PCB multistrato.
Figura 1: Composizione di un PCB multistrato
Due dei metodi di assemblaggio di PCB più comuni sono a montaggio superficiale (SMD) o a foro passante. L'utilizzo di una tecnologia di assemblaggio o dell'altra dipende dalla dimensione dei componenti e dalla configurazione del PCB. Il montaggio SMD è utile per montare direttamente piccoli componenti sull'esterno del PCB, mentre il montaggio a foro passante è ideale per montare componenti di grandi dimensioni attraverso fori preforati nella scheda.
Il soldermask è un liquido, solitamente un materiale epossidico, che viene applicato sugli strati esterni dei PCB rigidi. Viene comunemente utilizzato anche sulle sezioni rigide dei PCB rigido-flessibili. Soldermask è progettato principalmente per isolare i circuiti in rame sugli strati esterni dall'ossidazione proveniente dall'ambiente. Soldermask è inoltre progettato per controllare e trattenere il flusso di saldatura quando i componenti vengono assemblati sul PCB.
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