LEZIONE SETTIMANA
MONTAGGIO DEI COMPONENTI E CIRCUITI STAMPATI.
Quando il circuito elettronico in progettazione è arrivato alla versione definitiva occorre realizzare
un montaggio finale dei componenti e dei collegamenti studiati. In genere il processo che permette
il collegamento e il fissaggio meccanico di tutti i componenti elettronici è detto "cablaggio"
Le possibilità sono le seguenti:
- circuito montato con la tecnica "wire wrapped"
- montaggio a realizzazione manuale e saldatura a filo
- montaggio su circuito stampato
La tecnica wire wrapped
I circuiti wire wrapped sono circuiti costruiti su piastre perforate impiegando del filo elettrico. Le
estremità nude dei fili isolati sono avvolte attorno a lunghi piedini di speciali zoccoli del tipo per
circuiti integrati. I circuiti wire-wrapped sono generalmente dispositivi in esemplare unico fatti a
mano impiegati in campo elettrico per la realizzazione di prototipi e ricerca. Per realizzare la
stabilità del collegamento elettrico si usa u attrezzo particolare chiamato comunemente "pistola" che
ha il compito di stringere l'estremità del filo al terminale da collegare.
Il montaggio manuale
Un secondo tipo di montaggio o cablaggio è quello effettuato manualmente. I componenti si
montano in una lastra di vetronite od altro materiale isolante preforata con una griglia di fori
spaziati di 2.54mm (0.1"), in corrispondenza di ogni foro, sono già realizzate delle asole metalliche
per la saldatura dei terminali dei componenti. I Collegamenti elettrici sono realizzati saldando ai
terminali dei singoli componenti spezzoni di cavo isolato.
Anche questa tecnica è valida per realizzazioni di prototipo e ricerca.
Montaggio su circuito stampato.
Per i circuiti odierni, sia per la complessità circuitale, sia per l'elevato numero di esemplari in cui
vengono prodotti, non è più possibile pensare ad una realizzazione di tipo manuale: occorre una
realizzazione di tipo meccanico. Questa "meccanizzazione" è realizzata mediante i circuiti stampati
o PCB Printed Circuit Board.
L'invenzione del circuito stampato è ufficialmente opera dell'inglese Paul Eisler delle Henderson &
Spaulding intorno al 1940, anche se, per evidenti problemi imposti dal conflitto mondiale, la
pubblicazione di queste tecniche ha avuto inizio solo verso il 1950 e una sua massiccia diffusione si
ebbe solo a partire dal 1960 con il maggior utilizzo dei transistor e dei successivi integrati.
Fino a quel periodo erano molto utilizzate le valvole e i collegamenti erano forzatamente realizzati
saldando tra loro i terminali dei vari componenti e solo quando questi erano troppo corti si integrava
i circuito con conduttori nudi o isolati. Il montaggio, essendo effettuato a mano, non seguiva in
genere uno schema prefissato, ma era dettato dalla abilità e dalla "fantasia" dell'esecutore del
lavoro, con le seguenti caratteristiche:
- esemplari diversi l'uno dall'altro,
- necessità di alta specializzazione anche per i montaggio,
- difficoltà delle riparazioni: occorreva interpretare ogni volta i lcircuito seguendo tutti i
collegamenti,
- impossibilità di documentare chiaramente il cablaggio, in aggiunta allo schema elettrico,
- impossibilità di prevedere disturbi dovuti alla posizione dei componenti
- alta sensibilità a urti e vibrazioni: i componenti potevano spostarsi dalla posizione originaria
scollegandosi o provocando cortocircuiti o guastarsi,
- impossibilità di montare in serie circuiti o parti di circuiti.
Un primo passaggio verso l'automazione fu quello di realizzare alcuni moduli circuitali preordinati
(stadi alimentatori, oscillatori, filtri) dalle caratteristiche standardizzate in modo che potessero
essere utilizzati direttamente mediante l'utilizzo di connettori (allora di tipo rotondo come quello dei
portavalvole).
Un secondo passaggio, dell'immediato dopoguerra, era quello detto "assemblaggio punto a punto":
sul supporto di bachelite erano posizionati dei puntali metallici (come se fossero dei chiodi) ai quali
erano fissati i terminali dei componenti o i cavi di collegamento. Questi cablaggi cominciavano ad
utilizzare il supporto meccanico ed isolante come base di appoggio dei componenti, ma i
collegamenti dovevano essere realizzati singolarmente e a mano.
Il passaggio determinante per i circuiti moderni è stato lo sviluppo dell'idea di realizzare i
conduttori mediante piccole strisce di rame incollate sulla basetta stessa, dove, per il fissaggio dei
componenti in luogo dei "puntalini" infissi per saldare i terminali, vengono realizzati dei fori per
l'inserimento diretto dei terminali stessi per essere poi saldati direttamente alla "pista" ramata.
Gli elementi principali del circuito stampato diventano quindi
- la basetta: di materiale isolante a forma di lastra, che ha i compito di supportare
meccanicamente piste di rame e componenti,
- il rame, incollato alla basetta informe geometriche tali da permettere il giusto collegamento
elettrico dei componenti.
Giunti alla realizzazione del "circuito stampato" si è utilizzata poi questa tecnica non solo per
realizzare il mero collegamento elettrico tra due terminali, ma anche parti particolari, come schermi,
impedenze, induttanze giocando con particolari forme e dimensioni delle piste di rame.
Glossario
Definita la storia e un primo approccio del circuito stampato vediamo alcune definizioni di parti del
circuito stampato:
ARTWORK: disegno delle aree metalliche utilizzate per realizzare i documenti (vetri o pellicole)
necessari per la realizzazione dei circuiti stampati o dispositivi allo stato solido. In genere si lavora
con scale in aumento (10:1 - 4:1 - 2:1) in modo da assicurare una maggiore precisione. La copia
finale in scala 1:1 viene poi detta "master pattern" o "master".
BASE DI RIFERIMENTO: [Photographic reduction dimension]: è una linea di lunghezza,
predefinita dall'operatore, tracciata al bordo dell'artwork ai soli fini di verificare il corretto
dimensionamento dopo le operazioni di scalatura.
C.A.D. - Computer Aided Design: tecniche di progettazione assistite da calcolatore
CONDUTTORE - PISTA - TRACCIA: è la sottile striscia di materiale conduttore, generalmente
rame, posato saldamente sulla basetta di isolante che ha lo scopo di realizzare i contatti elettrici tra
due punti. La linea che forma geometricamente è anche chiamata poligonale.
COORDINATOGRAFO - COORDINATOGRAPH: è l'attrezzatura che si usa, o meglio usava, per
disegnare gli artwork ed ottenere una estrema precisione. In sostanza è composto da un tavolo
luminoso sul quale è appoggiata la pellicola in lavorazione dell'artwork, l'utensile di lavorazione è
solidale con un sistema a rotaie che permette il tracciamento di linee rette e allineate con i due assi
fondamentali X e Y e il contemporaneo rilievo, analogico o digitale, delle stesse quote X / Y di
tracciatura.
FACCIA - SIDE: indica il numero dei lati della basetta provvisti di rame per l'esecuzione dei
collegamenti. I circuiti con conduttori di rame solo su un lato vengono così chiamati "singola faccia
o single sided" e quelli con i collegamenti su due lati "doppia faccia o double sided". Per i circuiti
montati si usa i l termine faccia anche per indicare il lato della basetta: "lato saldature - solder
layer" e "lato componenti - component layer"
FORI RL/RA - TOOLING HOLES, FABRICATIN HOLE, MANUFACTURING HOLES,
OUTTRIGGER HOLES, INDEXING HOLES, CONSTRUCTION HOLES: sono i fori di
riferimento per le lavorazioni (RL) e per gli attrezzi (RA), sono due posizionati generalmente su due
estremi opposti degli artwork e servono ad allineare le varie maschere che vengono utilizzate per la
lavorazione del circuiti stampato per il posizionamento sotto le macchine di foratura, stampa
serigrafica, tracciatura del contorno, tutte operazioni ci una certa precisione (come si vedrà in
seguito occorreranno più maschere e più fasi di lavorazione per ogni circuito stampato). I fori per il
riferimento attrezzi devono essere più precisi dei fori RL in quanto servono per il montaggio dei
componenti, per i l collaudo e per le operazioni sul circuito in finitura.
FORO DI INSERZIONE - COMPONENT MOUNTIG HOLE: foro per i componenti. E' il foro
destinato ad accogliere il terminale del componente da montare sul circuito stampato. I fori di
inserzione possono anche essere metallizzati per consentire, in un passaggio unico, il collegamento
delle piste dal alto componenti al lato saldature.
FORO DI INTERCONNESSIONE - INTERCONNECTING HOLE: è un foro che serve
unicamente a collegare elettricamente le due piste di rame che transitano in quel luogo, una sul lato
componenti e una sul lato rame. Ili collegamento può essere realizzato mediante metallizzazione del
foro o mediante inserimento di un conduttore da saldarsi sui due lati.
FORO MECCANICO - MOUNTING HOLE: è un foro da utilizzarsi per bloccare meccanicamente
componenti pesanti o ingombranti al circuito stampato o per la connessine meccanica dello
stampato al contenitore o alle macchine di lavorazione e/o collaudo. Di solito ha un diametro che va
dai 3 ai 10 mm e, a seconda dei casi, può essere metallizzato o essere provvisto di piazzole.
INCISIONE - ETCHING: operazione della fase di fabbricazione che serve ad asportare le aree
metalliche non utilizzate sulla basetta del circuito stampato. Può essere effettuata con attacchi
chimici o con attrezzi meccanici.
ISOLAMENTO MINIMO - CLEARANCE - SPACING: è la distanza minima ammessa fra due
zone metalliche quando l'isolante è solo aria; può variare tra diverse zone dello stampato e può
essere espresso o in valore assoluto o come frazione della larghezza delle piste.
ISOLAMENTO TEORICO - CONDUCTOR SPACING: : è la minima distanza tra i due bordi di
due piste vicine nel loro tratto parallelo o tra due aree qualsiasi dove l'isolamento è l'aria.
LAMINATO - COPPER CLAD, LAMINATE: Materiale composto, realizzato in lastre sottili e
ampie (~ 1 mq), ottenuto per laminazione di vari strati di resina e di uno o due fogli sottilissimi di
rame. Tagliato in quadrotti di varia misura costituisce il supporto base o materia prima per la
realizzazione del circuito stampato.
LATO COMPONENTI - COMPONENT SIDE, PART SIDE: è la faccia del circuito stampato
dove sono montati i componenti.
LATO RAME - SOLDER DIP SIDE, SOLDER FLOW SIDE, COPPER SIDE: o lato saldatura, è il
lato del circuito stampato sul quale si effettuano le saldature dei reofori dei componenti. Per i
circuiti monofaccia è il lato delle piste di rame.
LINEA DI ZERO O RIFERIMENTO - ZERO DATUM LINE, ZERO REFERENCE LINE: è un
riferimento, in genere una coppia di trattini lungo gli assi X e Y, che identificano il punto di
riferimento base delle quote dello stampato.
MASTER PATTERN O PHTOMASTER: è il disegno in scala 1:1 di tutte le parti conduttrici che
esistono sul circuito stampato finito. La precisione di questo prodotto deve essere di elevato indice
perché le dimensioni che si dovranno ottenere a lavoro finito sono minime ed errori o imprecisioni
possono portare a interferenze, disturbi, cortocircuiti o collegamenti malfunzionanti.
Spesso è anche chiamato master ed è realizzato su pellicola fotografica o direttamente su vetro di
alta qualità, inoltre ne viene realizzato uno per ogni funzione da realizzare: lato saldature, lato
componenti, serigrafie, mappa della foratura).
PATTERN: è l'insieme di tutte le parti conduttrici-metalliche del circuiti stampato: piste, piazzole,
scritte (metalliche) eccetto l'interno dei fori metallizzati.
PELLICOLA: è la pellicola fotografica sulla quale è riportato un artwork o il master.
FOTORESIST - PHOTORESIST: o fotopolimero, è un composto chimico che polimerizza
all'esposizione della luce, in genere ultravioletta, consentendo le operazioni di scontornatura e
incisione che porta alla trasformazione della materia base in circuito stampato. Può essere positivo o
negativo, solido o liquido, spray o pre-steso.
PCB: Printed Circuit Board: circuito stampato. Una base di materiale isolante su cui vengono
stampate le linee di collegamento (in materiale conduttore) tra gli elementi del circuito. Possono
essere a single sided (se la stampa è su un solo lato) double sided (se è su entrambi i lati) o multi-
layer.
PIAZZOLA- PAD, LAND: è l'area metallica, di forma generalmente a corona circolare che
circonda il foro del circuito stampato. Se il foro è metallizzato o è oggetto di transito di una pista
sul lato componenti per il collegamento tra i due lati del circuito, allora anche sul lato componenti è
realizzata una piazzola. Viene utilizzato o per la saldatura del reoforo di un componente o per la
saldatura di un filo di interconnessione. In alcune occasioni (per esempio piedinatura di circuiti
integrati) la forma è diversa: ellittica, doppio cerchio, rettangolare.
PISTA- PATH, TRACE, CONDUCTOR: traccia o corrente, è il conduttore stretto, sottile e lungo
che collega tra loro due piazzole.
POLIGONALE, TRACCIA - POLYGONAL, POLYLINE: insieme di due o più punti di un circuito
stampato elettricamente collegati tra loro dai conduttori.
PONTICELLO- JUMPER WIRE, JUMPER, JUMP STAPLE: è uno spezzone di filo di rame
stagnato e non isolato, saldato sul circuito stampato come se fosse un normale componente, in modo
da realizzare un collegamento per attraversare (incrociare senza cortocircuiti) un'altra pista; si
realizzano quando la complessità dei circuiti non permette la risoluzione del collegamento senza
aggiungere un incrocio.
QUADROTTO - PANEL: è un laminato base ottenuto dalla lastra principale prodotta come materia
prima per taglio a cesoia o tranciatura. Di forma regolare, quadrata o rettangolare, e
opportunamente dimensionato accoglie il circuito finale oppure, spesso, più circuiti di dimensioni
non notevoli che poi vengono separati a fine lavorazione.
RAME BASE- BASE COPPER: è il foglio di rame presente su una o su due lati della basetta di
isolante quando ricopre tutta la basetta e prima della lavorazione.
RAME CHIMICO - ELECTROLESS COPPER: è il sottile strato di rame che si deposita per
processo chimico, senza corrente, per immersione sul supporto isolate. Serve per rendere
conduttrice la parete interna dei fori in modo da consentire i processo si deposito del rame
galvanico.
RAME GALVANICO - GALVANIC COPPER, ELECTROLYTIC COPPER: o reame elettrolitico.
Strato di rame depositato sul circuito stampato, durante il processo di fabbricazione, mediante
procedimento elettrochimico classico. Serve per completare il rivestimento dei fori metallizzati e
per aumentare lo spessore di rame del pattern, cioè delle piste realizzate.
RETICOLO DI BASE - BASIC GRID, GRID: predisposizione di punti di riferimento disposti
parallelamente secondo le direzioni X e Y a distanza prefissata detta passo del reticolo. Le distanze
più utilizzate sono 100 mils - 100 millesimi di pollice o 2,54 mm. Questo reticolo serve ad avere una
predisposizione del piano di inserzione dei circuiti integrati (la cui distanza dei piedini è appunto in
genere 100 mils) e a posizionare ordinatamente i vari componenti.
RESIST: è genericamente una sostanza che permette di effettuare una operazione particolare sui
circuiti stampati. Si hanno così:
- etching-resist: inchiostro, vernice, fotopolimero, rivestimento metallico che impediscel'incisione
delle zone metalliche che devono rimanere sul circuito stampato
- plating-resist: vernice o fotopolimero o nastro adesivo utilizzato per mascherare una zona di
circuito stampato per evitare che su questa venga a depositarsi elettroliticamente un metallo
- solder-resist: vernice serigrafica o similare che protegge le zone da non saldare da eccessi di
saldatura o posizionamenti errati
SBROGLIATO- DRAFT ARTWORK: è il documento di preparazione dell'artwork che mostra la
disposizione dei vari componenti sul circuito stampato, le piste sui vari lati e le piazzole. Può anche
non essere preciso se non ha la funzione diretta di essere utilizzato per realizzare le maschere
definitive, è riferito più alla soluzione dei collegamenti (occorre far passare tutti i collegamenti su
due sole facce…) che non all'effettivo e definitivo disegno delle tracce sullo stampato.
STEP AND REPEAT: una volta realizzato un circuito si esegue la semplice copia del circuito
realizzato traslando la sorgente di uno spazio sufficiente a fare stare sulla stesa basetta un altro
circuito. È comodo quando il circuito da realizzare occupa spazi più piccoli delle dimensioni della
basetta di materia prima per sfruttare al massimo il materiale; ove occorre all'operazione di
"copiatura" del circuito si può aggiungere anche una rotazione, sempre stabilita per sfruttare al
massimo il materiale e ridurre gli sprechi..
VETRO: quando si parla di vetro si intende il supporto sul quale è posata la lastra fotografica
dell'artwork per assicurare stabilità dimensionale..
VANTAGGI E SVANTAGGI DEI CIRCUITI STAMPATI.
VANTAGGI
- cablaggio più ordinato
- resistenza meccanica maggiore
- maggior resistenza alle vibrazioni
- riduzione di peso e dimensioni
- riduzione degli errori di montaggio dei componenti, la definizione a priori dei collegamenti e
della posizione dei componenti permette l'utilizzo, per il montaggio, di personale meno
specializzato
- possibilità di effettuare saldature automatiche
- riduzione dei costi delle produzioni di serie
- ripetitività delle caratteristiche elettriche
- facilità di interventi e di ricerca dei guasti
- maggiore affidabilità
- facilità di collaudo
- riduzione del consumo di rame
SVANTAGGI
- maggiori costi degli investimenti di macchinari, di attrezzature
- costi di attrezzatura non dipendenti dal numero di esemplari prodotti
- obbligo di distribuzione dei componenti su di un piano unico
- necessità di personale specializzato per la ricerca di guasti sullo stampato
- possibilità di cortocircuiti in caso di oggetti metallici vicini al circuito
- non riparabilità in caso di danneggiamenti del supporto
- utilizzo di macchinari costosi
- specificità del singolo circuito stampato
- difficoltà di modifiche a circuiti ormai prodotti
- tempi di preparazione del prodotto finito
CLASSIFICAZIONE
I circuiti stampati si possono dividere secondo le seguenti caratterisitiche:
- Produzione civile
- Produzione professionale
- monofaccia o singola faccia
- doppia faccia o bifaccia
- multistrato leggero
- multistrato pesante
- a fori non metallizzati
- a fori metallizzati
- a foro passante THT Through hole technology
- a montaggio superficiale SMT Surface mount technology
- Produzione civile: sono circuiti prodotti per piccole/medie serie destinate ad un mercato di
consumo "di massa": televisori, radio, registratori, elettrodomestici, giocattoli. In genere sono
circuiti monofaccia in FR2, FR2, CEM2, CEM4 o doppia faccia in FR2.
- Produzione professionale: doppia faccia in FR4 con spessori a scelta, multistrato (da 4 a 8, e
fino a 20). In genere utilizzati per calcolatori elettronici strumentazione di misura di qualità,
apparati radio, telefonia, apparecchiature di soccorso e militari
- monofaccia o singola faccia: i componenti sono montati su un solo lato della basetta e i loro
collegamenti vengono realizzati sul lato opposto. E' tecnologicamente il tipo di circuito
stampato più semplice, non ha fori metallizzati ed è facilmente realizzabile anche a livello
hobbistico. Originariamente era detto print and etch - P&E - stampa e incidi perché ottenibile
per semplice processo di stampa del pattern e relativa incisione del rame.
- doppiafaccia o bifaccia a fori non metallizzati: i componenti sono sempre montati solo su un
lato della basetta, ma i conduttori sono realizzati su tutte e due i lati della basetta. La poligonale
può, dove e se necessario, percorrere indifferentemente i due lati della basetta tramite
connessioni passanti attraverso fori passanti metallizzati o no. Anche se più complicata rispetto
alla singola faccia è ancora realizzabile a livello hobbistico o in un laboratorio scolastico o
artigianale. Al momento è il miglior compromesso tra costi e densità ed è usato per realizzare
apparecchiature già di un certo pregio.
- Multistrato- multilayer: in questo tipo di circuito stampato i piani di conduttori, o strati, sono tre
o più. Oggigiorno si arriva tranquillamente fino a 20 strati. Quando gli strati sono pochi, 3 o 4,
si definiscono multistrato di tipo leggero, altrimenti multistrato pesanti. Questa tecnica permette
una buona miniaturizzazione, ma l'attrezzatura necessaria è complessa e disponibile solo presso
aziende specializzate.
- a fori non metallizzati: il collegamento tra le piste dei due lati di conduttore è realizzato
mediante inserimento di uno spezzone di reoforo, o di conduttore o di rivetto, saldato su tutti e
due i lati
- a fori non metallizzati: il collegamento fra le piste dei due lati viene realizzato mediante fori
che, in produzione, vengono rivestiti internamente di rame o di altro metallo in quantità
sufficiente a realizzare il contatto
- a foro passante THT Through hole technology: i componenti sono del tipo a reoforo che viene
inserito nei fori realizzati appositamente nella basetta
- a montaggio superficiale SMT Surface mount technology : i componenti sono del tipo a
montaggio superficiale e le saldature sono effettuate sul lato componenti senza attraversare la
basetta. Le tecniche di saldatura i questo caso sono diverse di quelle manuale a foro passante e
solo in alcuni casi vengono effettuate a mano.
IL PROGETTO DEL CIRCUITO STAMPATO
Il costo del circuito stampato è ben paragonabile al costo del miglior componente, occorre quindi
prestare una certa attenzione alla sua progettazione perché da questa possono sorgere problemi di
funzionamento, di guasto o altro che possono far lievitare i costi di produzione finale.
Inoltre, come qualsiasi componente elettrico/elettronico la realizzazione del circuito stampato e il
suo definitiva cablaggio nel contenitore esterno per la futura messa in commercio deve rispondere
alle normative in vigore: Leggi, Decreti, Norme CEI, ecc. (vedi ad es.
http://corsi.peano.it/Lezioni/Elettronica/normazione - autore Nadia CARPI)
Fasi di lavorazione
Le fasi di lavorazione si possono così elencare:
- acquisizione dello schema elettrico definitivo
- acquisizione dell'elenco dei componenti, o "partlist", completo dell'indicazione dei "contenitori"
o "case" dei singoli componenti
- scelta della tipologia del circuito
- sbrogliatura
- realizzazione delle maschere o artwork
- lavorazione delle piastre
Il lavoro, nel suo complesso può essere svolto con metodi manuali o con metodi automatici. Via via
che il numero dei componenti aumenta è ovvio che diventa opportuno utilizzare strumenti
automatici sia per l'aiuto nella sbrogliatura sia nella realizzazione del "master" e di tutte le pellicole
necessarie alla lavorazione.
Lo strumento automatico in questione è una macchina di tipo CAD/CAM, cioè un sistema di
elaborazione dotato di un software che permette a vari livelli di:
- disegnare un circuito elettronico,
- editare le caratteristiche dei vari componenti
- associare ad ogni componente il tipo di contenitore i cui è montato ("case")
- verificare l'insieme dei collegamenti ("netlist")
- verificare il corretto funzionamento dello schema così disegnato ("simulatore")
- realizzare la sbrogliatura e il layout
- realizzare il disegno delle piste nel loro formato definitivo
- realizzare le pellicole master
- realizzare lo stampato.
Ognuna di queste fasi può essere effettuata singolarmente e separatamente dalle altre, cos' come è
possibile seguire i processi di progetto di un circuito elettronico dall'inizio alla fine interamente su
sistema CAD.
L'aiuto del sistema automatico può essere limitato ad una elaborazione dello sbrogliato di tipo
manuale ma esercitata su CAD, oppure può essere completamente automatica nel senso che
l'operatore può far lavorare un programma anche conl o scopo di ricercare la migliore sbrogliatura.
Acquisizione dello schema elettrico definitivo
Occorre, ovviamente, partire dallo schema elettrico definitivo e corretto. Lo schema può essere
disponibile o su carta o in formato elettronico. Il formato elettronico in genere è una descrizione del
circuito di tipo testuale in cui, secondo una logica e una sintassi legata al tipo di software (Circad,
Mentor, Cadence, Mentor Graphic, Viewlogic, Zuken Redac, PCAD, CadStar, PADS, Protel,
OrCAD, e altri..), vengono elencati i componenti, i loro contenitori, e il tipo di collegamento
realizzato.
Acquisizione dell'elenco dei componenti, o "partlist", completo dell'indicazione dei
"contenitori" o "case" dei singoli componenti
L'elenco componenti è "letteralmente" l'elenco di tutti i componenti che verranno utilizzati per il
montaggio finale della singola scheda. Anche in questo caso sono diverse le possibilità di formato
dell'informazione, sia per disposizione sia per quantità e tipologia dei dati associati al singolo
componente: tipo, valore o siglatura, potenza dissipabile, contenitore, tensioni di lavoro, corrente
massima sopportabile, temperatura di immagazzinamento, ecc..
Scelta della tipologia del circuito
Vista la complessità del circuito occorre definire quale tipo di stampato si vuole realizzare: singola
faccia, doppia faccia, multilayer.
Sbrogliatura
La sbrogliatura è una specie di definizione della mappatura dei percorsi da realizzare. In questo fase
si prova a disporre i componenti tenendo conto solo delle dimensioni di massima e si tenta di
disporre tutti i collegamenti sul piano di lavoro. Può accadere che non sia possibile, al primo
tentativo di disposizione dei componenti (layout), collegare tutti i componenti secondo lo schema
elettrico: occorrerà quindi predisporre una disposizione di questi diversa e ritentare fino a quando
tutti i collegamenti hanno trovato posto, senza intrecci e corto circuiti, sul foglio di lavoro.
Per la realizzazione della sbrogliatura occorre tenere conto di diversi fattori:
- destinazione finale (standard di qualità, affidabilità, sicurezza, omologazioni e certificazioni,
utilizzo finale)
- volumi di produzione
- mezzi di produzione e tipo di automazione utilizzata per la realizzazione
- tipo di manutenzione: riparazione presso il cliente, sostituzione della scheda, riparazione presso
laboratorio specializzato, intervento presso la fabbrica
- condizioni di lavoro: temperature, urti, vibrazioni disturbi
- maneggiabilità e trasportabilità
- vincoli dimensionali
- vincoli elettrici (schermature, dissipazioni, disturbi tra le piste)
- accessibilità dei connettori e dei collegamenti con l‟esterno
- smaltimento del calore
- distanziamento tra i componenti che devono dissipare maggiori temperature.
Una piastra può sembrare semplice ad una prima analisi (osservando per esempio solo la quantità di
componenti), ma risultare molto complessa se si deve tenere conto di tutti i parametri appena
elencati. Non è possibile realizzare scavalcamenti fra componenti, sovrapporre reofori, lasciare
reofori non associati a fori con saldature volanti o “in aria”.
Dimensioni richieste.
Inizialmente si calcola l‟area occupata dai componenti: misurando le dimensioni dei componenti o,
dove presenti, rilevandole dai data sheet si annota la superficie occupata da ognuno di essi e se ne
calcola la somma. Ogni componente sarà associato ad una figura geometrica in genere semplice:
cerchio, rettangolo o quadrato, nel caso di componenti coni reofori disposti assialmente il calcolo
della superficie occupata dovrà tenere contro anche della sporgenza del reoforo.
In questa fase non è necessaria una assoluta precisione ed è tollerabile un errore anche del 10-20 %;
inoltre può accadere che un componente sia recuperabile attraverso diverse forniture con case di
dimensioni diverse, in questo caso è bene considerare il case di dimensioni maggiori.
Fatte tutte queste valutazioni si ottiene, quale somma dell‟area occupata da tutti i componenti,
l‟area che occupano i componenti sul circuito stampato che si può chiamare A.
Generalmente, quando non esistono particolari vincoli il rapporto tra area occupata dai componenti
e l‟area destinata ad accogliere questi può essere stimata nel modo seguente:
Monofaccia
A componenti discreti (integrati 90 %
- resine fenoliche /
- resine poliesteri
- resine melamminiche
- resine siliconiche
- Teflon (politetrafluoroetilene)
Fra le cariche si identificano:
- carta al tessuto di cotone
- amianto
- vetro in fiocco
- vetro in filamento o tessuto
-
Resina Carica Stato della carica Sigle NEMA
Fenolica --- --- ES-2
Carta Foglio X, XP, XPC, XX, XXP,XXX
XXXP, XXXPC, FR-2
Cotone Tessuto C, CE, L, LE
Amianto Foglio A
Tessuto AA
Vetro Fiocco G-2
Tessuto G-3
Nylon --- N-1
Melamminica --- --- ES-1, ES-3
Vetro Tessuto G-5, G-9
Epossidica Carta Foglio FR-3
Vetro Tessuto G-10, G-11, FR-4, FR-5
Poliestere Vetro Feltro GPO-1, GPO-2
Siliconica Vetro Tessuto G-7
Diallil-ftalato Vetro Tessuto ---
Poliestere Tessuto/feltro ---
All‟interno di una stessa classe di materiale (resina, carica e stato della carica), modificando il tipo
di resina o addizionando più cariche si possono avere vari tipi legati ai diversi parametri; ciò è
spesso già effettuato in produzione dai fabbricanti che producono praticamente in serie laminati con
sigle più articolate: XXXPC-96M, XXXPC-96H .
Laminati fenolici
Le resine fenoliche o fenoplasti sono state i primi materiali utilizzati per i circuiti stampati, a questo
gruppo appartiene la “bachelite”, di colore marrone chiaro, dalle caratteristiche abbastanza buone,
costo compreso, ma ad eccezione delle resistenza all‟arco.
Il materiale di partenza è composto da aldeide e formaldeide, due sostanze abbastanza economiche.
Un primo passaggio porta, attraverso uno step intermedio in cui si formano alcoli benzilici, alla
formazine di resina allo stadio A chiamata novolacca. Un secondo passaggio vede la formazione di
resistolo o resina allo stadio B. Una ulteriore policondensazione per riscaldamento e
contemporeanea laminazione porta alla resina finale, che è termoindurente.
I materiali più prodotti sono stati quelli a supporto di tela (NEMA C, CE, L, LE) e, successivamente
ed in modo maggiore, quelli su carta (NEMA X, XX, XXX – con resina al 35, 45, 58%). La
siglatura finale „P‟ (es XX-P) significa poi tranciabile a caldo e la siglatura „PC‟ tranciabile a freddo
(es. XXX-PC).
Generalmente si usano maggiormente i seguenti tipi:
XXX: buone caratteristiche elettriche, non è tranciabile, è forabile a trapano e scontornabile per
fresatura, è di colore giallastro o rossastro.
XXXP: buone caratteristiche elettriche, è tranciabile a caldo, è forabile a trapano e scontornabile per
fresatura, è di colore giallastro o rossastro.
XXXPC: buone caratteristiche elettriche, è tranciabile a freddo (T> 25°C), è forabile a trapano e
scontornabile per fresatura, è di colore giallastro o rossastro.
FR-2: buone caratteristiche elettriche, è tranciabile a freddo (T> 25°C), è forabile a trapano e
scontornabile per fresatura, è di colore giallastro o rossastro, autoestinguente per addizione di
triossido di antimonio Sb2O3.
Oggigiorno i laminati fenolici rappresentano circa il 25 % dei supporti utilizzati per la costruzione
di circuiti stampati, con quota in continua diminuzione.
Laminati epossidici.
Presentano buone qualità in termini di resistenza meccanica, caratteristiche elettriche, chimiche, e
termiche nonché stabilità dimensionali e sono utilizzabili per circuiti elettronici ad alta densità ma
con costi più elevati dei laminati fenolici.
Il materiale base è la cloridrina propilenica o epicloridrina e bisfenolo-A (quest‟ultimo alquanto
costoso). Una prima fase di polimerizzazione tra questi due elementi porta ad ottenere un polimero
lineare detto stadio B che è sotto forma di resina. Una successiva fase di policondensazione in
temperatura e in presenza di un catalizzatore trasforma la resina in un polimero reticolato, insolubile
ed infusibile (resina termoindurente).
I laminati più usati sono:
FR-3 (o PX-MIL): presenta carta come carica. Ha buone proprietà elettriche, stabile
dimensionalmente e buona resistenza meccanica, buona lavorabilità e tranciabilità. Pur
avendo come carica la carta è utilizzabile per circuiti a fori metallizzati. E‟ autoestinguente, di
colore giallastro o rossiccio.
G-10 (o GE-MIL): presenta come carica un tessuto vetroso, è il più utilizzato perché oltre alle
caratteristiche delle resine epossidiche possiede migliori caratteristiche meccaniche, una
migliore stabilità dimensionale, una migliore lavorabilità. Presetna di colore verde o verde-
azzurro, è conosciuto commercialmente col nome di vetronite, è resistente alla corrosione. La
tranciatura di fori di piccolo diametro porta ad una rapida usura del punzone proprio per
l‟elevata quantità di vetro presente (dal 35 al 45 % in peso).
G-11: è una variante del tipo G-10 con caratteristiche meccaniche a temperature elevate ed è unpo‟
più costoso.
FR-4: è come il G-10 ma con caratteristiche autoestinguenti, ottenuta aggiungendo cloro o bromo
nelle fasi di realizzazione.
FR-5: è come il G-11 ma con caratteristiche autoestinguenti, ottenuta aggiungendo cloro o bromo
nelle fasi di realizzazione.
Laminati poliesteri.
Stanno cominciando ad essere utilizzati da qualche tempo. Le classificazioni sono due: GPO-1 e
GPO-2. Sono realizzati con una faccia in rame per essere utilizzati come circuirti monofaccia. Il
materiale è una resina poliestere rinforzata con un feltro di vetro. Il tipo di materiale è molto simile
al vetro poliestere (VP) usata per alcuni tipi di scadi di imbarcazioni da diporto o lamiere ondulate
per tettoie, di colore bianco o rosso. Non è molto pregiato, ha caratteristiche elettriche simili al tipo
XXXPC ma caratteristiche meccaniche migliori.
Laminati siliconici.
Sono prodotti inorganici con elevata inerzia chimica e buonissime proprietà elettriche ma non
essendo facilmente laminabili ed avendo una scarsa adesione del foglio di rame non sono molto
diffusi.
Laminati melamminici.
Basati sulle resine melamminiche, quelle utilizzate per la fabbricazione di mobili da cucina, non
sono molto utilizzati anche se hanno una elevata durezza superficiale.
Il foglio di rame.
Sul supporto di resina viene poi incollato un foglio di rame. In genere è prodotto elettroliticamente,
direttamente in rotoli di altezza di 110 mm. SI produce da una cella elettrolitica il cui catodo è un
tamburo di acciaio inossidabile che ruota lentamente bagnandosi nell‟elettrolita.
Fig 4.1 pag 176 giallo
Il rame così prodotto non è ancora utilizzabile perché le sue facce sono troppo lisce per permettere
una buona adesione della resina. Uno dei due lati viene così resi ruvido con tecnologie brevettate e
rese non pubbliche. Si sa però che i metodi sono soltanto due: per ossidazione controllata e per
deposizione di uno strato di ottone di tipo galvanico.
Il foglio di rame per i circuiti stampati deve essere molto puro, almeno del 99.5 %, pulito da graffi,
puntinature, rigature e sporcizia e di spessore uniforme.
In particolari utilizzazioni viene utilizzato un foglio di argento o di oro, alluminio, leghe metalliche.
Lo spessore del foglio è solitamente di 35 m o di 70m; altri spessori usati sono compresi tra 17,5
e 498 m. Lo spessore del rame viene anche indicato in unità per oncia: quello da 35 m pesa 1
oncia (1 oz = 28,35 g) al piede quadrato (1 ft sq = 9,29 dmq) e quindi è detto da 1oncia, quello da
70 da 2 once e così via.
Lavorazione delle piastre
Il procedimento importante è ora quello dell‟asportazione dalla superficie della basetta grezza del
rame che non deve concorrere alla traccia dello stampato, lasciando così soltanto le “piste” di
collegamento.
Il rame da non asportare dovrà essere protetto da un materiale opportuno, chiamato etching-resist,
che non verrà attaccato dall‟agente di corrosione. Le combinazioni di materiali resist/agente sono
riassunte nel prospetto seguente:
ETCHING RESIST AGENTE DI CORROSIONE
CLORURO MISCELA CLORURO PERSOLFATO CLORITO
FERRICO CROMICA RAMEICO SODICO
RESIST SERIGRAFICO XX XX XX(*) XX XX(*)
RESIST FOTOGRAFICO XX XX XX(*) XX XX(*)
LEGA Sn-Pb ---- XX XX XX XX
Sn Puro ---- XX XX ---- XX
Oro o nichel + oro XX XX XX XX XX
Percloruro ferrico. Si realizza una soluzione acquosa di cloruro ferrico FeCl 3 in percentuale dal 28
al 42%, generalmente si usa una concentrazione vicina la 35% in peso. Nelle applicazioni non
artigianali è spesso integrata da una percentuale del 1-5% di acido cloridrico HCl. Il cloruro
ferrico ossida il rame metallico a ione Cu++ , con formazione di cloruro rameoso CuCl che
poi viene ulteriormente ossidato a cloruro rameico CuCl2 che reagendo con altro rame
metallico riforma altro cloruro rameoso, continuando il ciclo asportando il rame dalla basetta.
Il percloruro ferrico va conservato in bottiglie o in vaschette per uso fotografico,
assolutamente non in contenitori di tipo metallico. E‟ il prodotto più frequentemente usato per
le applicazioni artigianali per il costo no elevato, una facile reperibilità sul mercato, la non
aggressività nei confronti delle pellicole o di trasferibili, bassa nocività; occorre però prestare
attenzione ai vestiti e quindi proteggere questi ultimi con camici da lavoro.
I tempi medi di attacco sono compresi tra 10 e 15 minuti, la velocità aumenta leggermente se
aumenta la temperatura del bagno o se vi si tiene in movimento la basetta mentre diminuisce
se il bagno stesso questo è stato usato più volte.
Miscela cromica. Si prepara una soluzione acquosa di acido cromico, è costosa, è molto aggressiva
per molti metalli e va maneggiata con estrema cautela durante le fasi di lavoro e va trattata in
modo particolare prima di essere scaricata per la pericolosità del cromo esavalente che tende a
stagnare nelle falde acquifere.
Cloruro rameico o cloruro di rame. Si prepara una soluzione di cloruro rameico in acqua con
aggiunta di acido cloridrico e spesso anche di cloruro di sodio. E‟ abbastanza veloce a
temperatura ambiente ma si velocizza a temperature di circa 50°C, può essere utilizzato con
quasi tutti gli etching resist e può essere rigenerato (per agenti ossidanti o elettrolisi) per cui si
può utilizzare a ciclo continuo. E‟ possibile realizzare anche una soluzione artigianale di pari
caratteristiche: occorre utilizzare una miscela di 200 ml di acido cloridrico al 35%, 30 ml di
acqua ossigenata al 30%, 770 ml di acqua per avere 1 litro di soluzione, occorre però prestare
molta attenzione a mani occhi e vestiti e, in caso di contato, lavare abbondantemente con
acqua.
Persolfato di ammonio. Anche questa è una soluzione acquosa preparata con persolfato di
ammonio, acido solforico, piccole quantità di composti metallici che funzionano da
catalizzatori. Le caratteristiche sono molto simili a quelle del percloruro ferrico.
Clorito sodico. Soluzione acquosa di clorito sodico NaClO2 e di carbonato di ammonio
ammoniacale NH4HCO3 con eventuale aggiunta di ammoniaca. Ha un‟azione molto rapida
ma non è utilizzabile per etching di resist serigrafici. Necessita di particolari attenzioni
durante la conservazione per le caratteristiche ossidanti ed esplosive.
Per ognuna delle soluzioni descritte vi sono parecchie varianti studiate e tipiche di ogni laboratorio,
ognuna con sperimentati risultati volti a migliorare:
- tipologia meccanica si attacco: immersione, bagno in movimento, spruzzo
- temperatura di lavoro, comunque mediamente compresa tra i 30 e i 50 °C
- tecniche di agitazione della soluzione
- tempi di esaurimento della soluzione
- tempi di lavoro.
Le scelte vengono fatte tenendo conto di vari fattori quali lo spessore del rame da asportare,
dimensioni delle piste, tipo di etching resist, tipo di macchine utilizzate, tipo di lavaggio finale da
effettuare.
In tutti i processi deve essere tenuto sotto controllo il fenomeno della sottoincisione, cioè
l‟asportazione del rame sotto i bordi del resist una volta che è stato asportato dalle zone volute.
Tecniche realizzative industriali.
Il presente paragrafo è trattato al capitolo con stesso titolo sul testo di riferimento De Lucchi
Cuniberti - TDP – Petrini” da considerare in forma integrale.