Che cos'è una scheda a circuito stampato (PCB)?

Una scheda a circuito stampato (PCB) è una base meccanica utilizzata per contenere e connettere i componenti di un circuito elettrico. Le PCB sono utilizzate in quasi tutti i dispositivi e accessori elettronici di consumo moderni, tra cui telefoni, tablet, smartwatch, caricatori wireless e alimentatori. Queste schede multistrato e multi-materiale costituiscono la base stabile di un assemblaggio PCB (PCBA) e sono responsabili di indirizzare il flusso di corrente tra i componenti attivi e passivi.

Lo strato base di una PCB è tipicamente realizzato con una combinazione di materiali robusti e non conduttivi che fornisce isolamento, resistenza all'acqua e stabilità termica. I materiali PCB più comuni includono FR4, metalli e poliammide (PI). Il risparmio economico, le prestazioni funzionali (come l'espansione termica) e l'ecocompatibilità sono tutti fattori da considerare quando si scelgono i materiali per una PCB.

Sullo strato di base di una PCB sono incisi i percorsi che trasportano i segnali da un punto all'altro. Chiamati "tracce", questi sottili conduttori sono generalmente realizzati in rame, un materiale altamente conduttivo che permette agli elettroni di muoversi con poca resistenza tra i componenti.

Diversi tipi di PCB offrono prestazioni diverse e sono spesso classificate in base alla malleabilità del substrato utilizzato. Questi substrati possono essere rigidi, flessibili o una combinazione di entrambi.

Oltre a questi tre tipi principali, le PCB possono anche essere categorizzate utilizzando altri criteri, come il posizionamento dei componenti (PCB a singolo lato o a doppio lato), il materiale (PCB a nucleo metallico o ceramico), la densità di connessione (PCB con interconnessioni ad alta densità e ultra-alta densità), o il numero di strati (PCB a 16 strati).

Se dotata di un interruttore di accensione, è probabile che abbia un circuito stampato. Utilizzate in quasi tutti i dispositivi elettronici, le PCB sono presenti in una vasta gamma di industrie e tipi di dispositivi.  

Alta tecnologia: Le PCB personalizzate stimolano l'innovazione nell'industria ad alta tecnologia, che è estremamente complessa e veloce, includendo l'infrastruttura 5G e l'elaborazione dati ad alta velocità. Queste schede possono presentare un numero elevato di strati e materiali unici poiché questo settore è all'avanguardia nello sviluppo dei dispositivi.

Settore aerospaziale e difesa: L'affidabilità è essenziale in queste applicazioni in cui i dispositivi sono spesso remoti e possono essere soggette a condizioni ambientali estreme (come temperatura, vibrazioni o urti). In questo caso, le PCB vengono utilizzate nei sensori, negli alimentatori e nei sistemi di navigazione per satelliti e aerei.

Settore automobilistico: Mentre le PCB sono presenti in tutti i veicoli moderni negli head-up display, negli airbag, nei sistemi avanzati di assistenza alla guida e altro ancora, hanno un ruolo particolarmente critico nei veicoli elettrici, in quanto gestiscono il funzionamento del motore elettrico e l'erogazione di potenza.

Energia: Le PCB sono essenziali per la generazione, la raccolta e la distribuzione di energia. La loro affidabilità mantiene attivo e funzionante il settore energetico, facilitando la comunicazione tra la rete elettrica e i controller, lo stoccaggio dell'energia e il monitoraggio dei sistemi.

Industriale: Le apparecchiature automatizzate utilizzate nelle applicazioni industriali si affidano alle PCB per resistere a condizioni intense, tra cui correnti ad alta tensione, vibrazioni delle macchine e temperature estreme. Si trovano nella produzione di trapani e presse, apparecchiature di misurazione e acquisizione video ad alta velocità.

Le prime progettazioni di circuiti stampati si basavano sulla costruzione attraverso fori, seguita dalla tecnologia di montaggio superficiale (SMT). Per decenni, i progetti sono stati disegnati a mano, rendendo la produzione lenta e costosa. Con l'introduzione dei computer, l'intero processo di progettazione è cambiato, accelerando la produzione e migliorando al contempo coerenza e funzionalità. I produttori di oggi utilizzano software di simulazione per la progettazione di PCB per modellare, analizzare e convalidare i propri progetti in ogni fase dello sviluppo.

Le sfide della progettazione di PCB includono vincoli di dimensione, considerazioni termiche, elettromigrazione, integrazione meccanica ed efficienza energetica. Queste complessità richiedono ai progettisti di collaborare con un gruppo diversificato di esperti per garantire che le considerazioni relative all'ingegneria elettrica, meccanica e termica vengano affrontate durante tutto il processo.

Il processo di progettazione della PCB:

1. Creazione di schemi: I progettisti disegnano un piano in 2D della PCB utilizzando software di progettazione assistita da computer per l'elettronica (ECAD). Ciò identifica i componenti della PCB, il loro posizionamento e il modo in cui saranno collegati.
2. Selezione dei materiali: In base alle esigenze dell'assemblaggio finale, i progettisti scelgono i materiali da utilizzare sulla scheda. Queste opzioni possono includere FR-4, laminati di poliammide, materiali epossidici compositi (CEM), polimeri a cristalli liquidi e altro ancora. 
3. Revisione del progetto: Prima della produzione, il software di simulazione viene utilizzato per testare e convalidare le prestazioni della scheda in varie circostanze. Questi test garantiscono che la disposizione dei componenti soddisfi tutti i requisiti.  

Una volta completato questo processo, la scheda è pronta per essere fabbricata. La produzione di PCB è un processo multistadio con molte fasi critiche, ma i passaggi chiave includono stampa, incisione, pressatura, foratura, serigrafia e mascheratura. 

• Innanzitutto, lo schema PCB viene stampato su un substrato rivestito in rame. 
• Quindi, il rame in eccesso viene rimosso in un processo chiamato incisione per rivelare le tracce e i tamponi per la circuiteria. 
• Dopo di ciò, strati alternati di materiali vengono compressi insieme utilizzando calore elevato e la scheda viene perforata per i fori di montaggio, i perni a foro passante e i vias. 
• Viene quindi aggiunto un livello serigrafico per contrassegnare la superficie con informazioni quali polarità, nomi di connettori e loghi aziendali. 
• Infine, viene applicata una maschera di saldatura per proteggere contro l'ossidazione e la formazione di ponti di saldatura.

Come spina dorsale dell'elettronica moderna, le PCB continueranno a evolversi, mentre i dispositivi e le macchine che alimentano diventeranno sempre più piccoli, flessibili e potenti. La miniaturizzazione, insieme a materiali trasparenti e deformabili, consentirà alle PCB di integrarsi nei progetti elettronici in modi interessanti e numerosi. Con l'elettrificazione che guida l'innovazione nel settore automobilistico e aerospaziale, le PCB avranno un ruolo fondamentale nel definire come l'energia pulita possa alimentare sistemi come la comunicazione e la navigazione.

Scopri di più sulla nuova funzionalità del software Ansys Maxwell per la progettazione di PCB flessibili e rigide e scopri di più sulle soluzioni di affidabilità elettronica Ansys Sherlock.

Risorse correlate