La progettazione dei circuiti stampati

I dispositivi elettronici sono ormai onnipresenti nel mondo moderno. Che si tratti di un dispositivo che monitora i parametri vitali di una persona o di uno smartphone con un flusso infinito di messaggi e notifiche, tutti contengono un circuito stampato (PCB - Printed Circuit Board) al centro del progetto. Nel corso degli anni, la produzione di circuiti stampati ha continuato a crescere per tenere il passo con le crescenti richieste di circuiti elettronici più nuovi, più veloci e più complessi. Le argomentazioni sui processi coinvolti nell'ideazione, progettazione e fabbricazione di un circuito stampato potrebbero richiedere uno spazio di migliaia di articoli. In questo articolo, faremo una panoramica esaustiva sui PCB e sulla loro progettazione.

Introduzione

Un circuito stampato è una struttura rigida che contiene circuiti elettrici costituiti da superfici metalliche chiamate tracce e aree di metallo più grandi chiamate piani. I pin dei componenti sono saldati alla scheda su piazzole metalliche collegate ai circuiti della scheda. Ciò consente ai componenti di essere interconnessi. Una scheda può essere composta da uno, due o più strati di circuiti. I circuiti stampati sono costruiti con un materiale dielettrico con scarse proprietà di conduzione elettrica per garantire una trasmissione circuitale pura con interspaziati strati aggiuntivi di metallo e dielettrico secondo necessità. Il materiale dielettrico standard utilizzato per i circuiti stampati è un composito ignifugo di tessuto in fibra di vetro e resina epossidica, il più comune è noto come FR-4, mentre le tracce metalliche e i piani per i circuiti sono solitamente composti da rame, ma possono anche essere in oro nei circuiti per applicazioni speciali in alta frequenza. In Figura 1 una schematizzazione della struttura di una scheda FR-4.

Figura 1: Struttura di una scheda FR-4

I circuiti stampati vengono utilizzati per vari scopi. Una caratteristica distintiva dei PCB è la loro classe, che può essere la 1, la 2 o la 3. La classe del PCB indica la sua affidabilità complessiva e la qualità della progettazione. Le schede di Classe 1 sono indicate per l'elettronica di consumo. Le schede di Classe 2 sono utilizzate nei dispositivi in cui l'elevata affidabilità è importante, ma non critica. Questi dispositivi sono orientati a ridurre al minimo i guasti. Le schede di Classe 3 rappresentano gli standard di produzione più rigorosi di un PCB. In sostanza, se una scheda di Classe 3 si guasta, possono essere a rischio vite umane, come ad esempio le schede di circuiti di sicurezza del volo di un aereo.

Tipologie di circuiti stampati

In generale, le schede possono essere classificate in tre tipologie: rigide, flessibili o con nucleo metallico. Le schede rigide rappresentano la tipologia più comunemente utilizzata da un progettista, in cui il layout della scheda è contenuto all'interno di un substrato rigido creato da un processo di laminazione ad alta temperatura e ad alta pressione. Come già detto, il materiale comune per questa tipologia di schede è l'FR-4 ma, a seconda delle particolari esigenze di progettazione, questo materiale può essere modificato per ottimizzare, o comunque migliorare, alcune caratteristiche della scheda. Le schede flessibili sono composte da un materiale meno rigido che consente una deflessione molto maggiore rispetto alla scheda rigida. Il materiale al tatto è paragonabile ad una pellicola fotografica e lo spessore è solitamente molto inferiore a quello di una scheda rigida standard. Sebbene se ne utilizzi già un sempre maggior numero, esiste la potenzialità che le schede flessibili costituiscano il mezzo fondamentale per l’evoluzione della tecnologia indossabile e rimuovano gli attuali vincoli planari inerenti ai dispositivi a scheda rigida. Un PCB con nucleo metallico è una sorta di derivazione dei design delle schede rigide, con una maggiore capacità di dissipare il calore su tutta la scheda per proteggere i circuiti più sensibili. Questo stile può essere un'opzione per progetti ad alta corrente per prevenire usura termica e guasti.

La progettazione del circuito stampato - Il CAD

Prima di poter realizzare un circuito stampato, è necessario progettarlo. Ciò viene ottenuto utilizzando strumenti CAD (Computer Aided Design) di progettazione di circuiti stampati. La progettazione del PCB è suddivisa in due fasi principali:

1: acquisizione dello schema elettrico per creare la connettività del circuito

2: realizzazione del layout del PCB per progettare il circuito fisico vero e proprio

Il primo passo è sviluppare la libreria di parti CAD necessarie per la progettazione. Ciò includerà simboli schematici, modelli di simulazione, simboli per il layout PCB e modelli per la visualizzazione del circuito stampato in 3D. Una volta che le librerie sono pronte, il passo successivo è creare la rappresentazione logica del circuito su uno schema. Gli strumenti CAD vengono utilizzati per posizionare i simboli su un foglio schematico e quindi collegarli per formare i circuiti. Allo stesso tempo, viene eseguita la simulazione del circuito per verificare che il progetto funzioni elettricamente come previsto. Una volta completate queste attività, gli strumenti schematici invieranno i dati di connettività agli strumenti di realizzare il layout, ovvero dallo schema elettrico al PCB. In Figura 2 si riporta una sezione di uno schema elettrico di esempio di un progetto realizzato con il CAD Proteus Professional.

Figura 2: Sezione di uno schema elettrico di un progetto

Disposizione dei componenti

Dal punto di vista del layout della progettazione del PCB, la connettività dello schema elettrico viene ricevuta ed elaborata come reti che collegano due o più pin dei componenti. Con un perimetro della forma prevista della scheda sullo schermo, il progettista del layout posizionerà i simboli dei componenti nelle posizioni corrette. Una volta organizzati in modo ottimale questi componenti, il passo successivo è collegare le reti ai pin disegnando le tracce e i piani tra i pin. Gli strumenti CAD avranno regole di progettazione integrate che impediranno alle tracce di una rete di toccare un'altra rete, oltre a governare molte altre larghezze e spazi necessari per una progettazione completa. Una volta completato il routing, ossia l’instradamento delle tracce verso i pin per interconnettere i componenti, gli strumenti di progettazione vengono nuovamente utilizzati per creare disegni di produzione e file di output che il produttore utilizzerà per costruire la scheda. La progettazione e la produzione di un circuito stampato è un processo passo passo: creazione e simulazione di schemi, impostazione delle griglie di progettazione PCB e DRC (Design Rule Checking è una funzione CAD che verifica che non siano state violate le regole di progettazione del PCB), posizionamento dei componenti, instradamento del PCB, piani di alimentazione e, infine, assemblaggio dei componenti e costruzione della scheda. La fase successiva della progettazione si baserà su questi passaggi.

Realizzazione di un circuito stampato

Sebbene la progettazione e la produzione di un PCB possano essere generalizzate come acquisizione dello schema, realizzazione del layout del PCB e fabbricazione e assemblaggio del circuito, i dettagli di ogni fase sono molto complessi. Di seguito, alcuni degli aspetti più specifici di ciascuno di questi passaggi.

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