Il mondo dell'elettronica oggi richiede apparati e sistemi sempre più complicati con prestazioni funzionali molto spinte e dimensioni molto contenute. Per fare fronte a questa esigenza, l'ingegneria elettronica, facendo passi da gigante, ha sviluppato componenti ad alta integrazione inglobando molteplici funzioni circuitali e miniaturizzando le dimensioni meccaniche degli stessi (vedi micro BGA).
Da qui la necessità di elevare il numero degli strati impiegati per la sbrogliatura dello schema elettrico, la riduzione della dimensione del foro (micro foratura) e la riduzione delle piste di interconnessione. Oggi si parla di forature da 0,1 mm ed è in costante crescita la richiesta di definire piste da 50 micron.
Di conseguenza, anche il circuito stampato ha dovuto trasformarsi da mero supporto per i componenti in un sistema attivo vero che non compare a livello di schema elettrico, ma che di fatto esiste e che non può occupare una posizione secondaria nello sviluppo del progetto circuitale.
Oggi possiamo affermare che la scheda elettronica funziona più o meno bene a seconda di come è stato sviluppato e, quindi, costruito il circuito stampato.
Condizioni preliminari
Un buon progetto elettronico in tecnologia avanzata, oltre ai requisiti funzionali intrinsechi del progetto stesso, deve rispondere alle seguenti condizioni:
- Integrità del segnale;
- integrità nella distribuzione delle alimentazioni;
- compatibilità elettromagnetica (EMC);
- interferenze elettromagnetiche (EMI).
Quando le frequenze in gioco superano i 20 MHz l'integrità del segnale comincia ad assumere importanza. Ciò significa che i segnali coinvolti non possono essere trattati come normali connessioni, ma devono essere considerati come vere e proprie linee di trasmissione che richiedono valori di impedenza ben definiti. Questo comporta definire dimensioni di conduttori in termini di larghezza, di spessore e di lunghezza ben precise e di scegliere il materiale da utilizzare per la costruzione del circuito stampato in modo che la sua caratteristica dielettrica risponda ai valori definiti nel progetto ottenendo quindi il valore di impedenza voluto.
Durante la costruzione del circuito stampato, l'intero processo di realizzazione dei conduttori, dalla stampa all'incisione, deve essere tenuto scrupolosamente sotto controllo, così come le caratteristiche dimensionali delle linee di impedenza che devono mantenere il loro valore nominale il più inalterato possibile e le spalle delle stesse che non devono presentare rugosità.
La rugosità determina perdite nel conduttore che potrebbero raggiungere valori percentualmente significativi della penetrazione della corrente in RF dovuta all'effetto pelle. In altre parole, la rugosità riduce drasticamente lo spessore effettivo del conduttore e il fenomeno della sotto incisione riduce la sezione del conduttore stesso. Queste variazioni inducono alterazioni al valore di impedenza definito.
Normalmente su questo valore viene accettata una tolleranza del +/- 10%: questa tolleranza
è il risultato di una somma algebrica che tiene conto di tutte le variabili introdotte nella fase di realizzazione dei conduttori, esposizione dell'immagine, sviluppo del film fotosensibile, elettrodeposizione e, infine, incisione.
La misura d'impedenza effettuata in laboratorio consente di accertare il valore di impedenza ottenuto e, eventualmente, di apportare successive modifiche di processo nell'ipotesi del rilancio in produzione del circuito stampato.
Una buona integrità nella distribuzione delle alimentazioni consente di ottenere una conseguente buona distribuzione delle capacità in gioco.
L'EMC e l'EMI sono altrettanto importanti. Il primo perché la scheda nel suo insieme deve rispondere ai requisiti di compatibilità elettromagnetica; il secondo perché deve
rispondere ai requisiti relativi alle interferenze elettromagnetiche. Quanto detto sopra ha costretto e continua a costringere i costruttori dei circuiti stampati a fare
una corsa ad inseguimento, rivedendo le tecniche di produzione e mettendo a punto processi di costruzione molto accurati ed, in alcuni casi, molto complessi, idonei a realizzare quanto richiesto dal progetto.
Problemi pratici e tecniche produttive
Per rispondere alla necessità di liberare gli spazi occupati dalle forature passanti, i costruttori dei circuiti stampati mettono a disposizione del progettista elettronico varie tecnologie che possono essere utilizzate in modo singolo o con un mix delle stesse a seconda delle problematiche che è chiamato a risolvere.
Foratura cieca: si intende la realizzazione di un foro che collega un strato esterno con il primo e, eventualmente, con il secondo strato interno. Ciò comporta la foratura ad asse Z controllato e un attento dimensionamento del foro in relazione allo spessore di attraversamento per poter garantire una buona metallizzazione del foro stesso.
Foratura interrata: con questa tecnica si realizzano le varie “cuciture” di connessione sugli strati interni facendo affiorare all'esterno solo l'inizio e la fine della connessione elettrica.
Foratura passante tappata con resina: il foro passante, prima metallizzato, viene riempito con resina e successivamente viene ricoperto da rame per consentire la stampa corretta dell'immagine del circuito. Questo serve a consentire la connessione diretta delle piazzole dei componenti in SMD attivi alle piazzole dei componenti SMD passivi (tipico dei filtri sulle alimentazioni dei componenti). La corretta tappatura di questi conduttori rappresenta una vera e propria sfida perché è importante eliminare la formazione dei voids e l'intrappolamento di eventuali acidi o corpi estranei. Questa tecnologia è indispensabile quando in scheda si montano componenti a passo molto ridotto (microBGA con passo fra le piazzole di 0,4 mm).
Foratura cieca tappata con rame: permette di utilizzare la stessa piazzola dedicata alla saldatura del componente anche alla connessione elettrica, sommando i vantaggi del foro cieco a quelli del foro tappato con resina. Viene realizzato in una linea chimica dedicata, allo scopo di ottenere una perfetta planarità della piazzola coinvolta dal foro, garantendo quindi una corretta stesura della pasta saldante e, di conseguenza, una buona saldatura. Questa tecnologia, realizzata oggi solo per particolari applicazioni (schede per test dei componenti) è in fase di continuo sviluppo per estendere l'applicazione a schede che richiedono la tappatura totale del foro passante.
Impilaggio sequenziale (Sequential Build-Up): si costruisce un circuito a doppia faccia o multistrato che va a costituire la base di partenza del circuito finale. A questo, con una sequenza di laminazioni successive e di forature cieche che connettono sequenzialmente solo gli strati da collegare, si raggiungono gli strati esterni.
Le tecniche sinteticamente sopra descritte, permettono di ottenere un'alta densità di connessioni per unità di superficie e sono inevitabili quando il progettista voglia montare sul circuito stampato componenti elettronici dell'ultima generazione.
L'importanza dei materiali e dei parametri elettrici
Alla soluzione dei problemi elettronici contribuiscono anche i materiali che vengono utilizzati per la costruzione del circuito.
Sostituendo il tipo di resina, variando il supporto della resina, modificando entrambi i costituenti e aggiungendo altri materiali, si è ottenuta un'ampia gamma di prodotti dedicati ad applicazioni specifiche e particolari. Il sapersi districare all'interno di questa ampia gamma di laminati significa raggiungere in modo più certo il risultato funzionale voluto. La scelta deve essere guidata dal progetto in funzione delle caratteristiche a cui deve rispondere, del valore del TG, del valore della costante dielettrica, del valore della tangente di Loss, del valore della conducibilità termica ecc., non trascurando di tenere in considerazione il rapporto costo/benefici.
Il TG definisce il valore della temperatura di transizione vetrosa che potremmo definire come la temperatura alla quale la resina cambia il suo stato passando da una fase pressoché solida a una pastosa. Tale valore serve a definire il grado di polimerizzazione dello specifico tipo di resina.
La permissività elettrica o, nel linguaggio comune, la costante dielettrica è una grandezza fisica che descrive come un campo elettrico influenza ed è influenzato da un mezzo dielettrico. Tale valore è determinato dalla capacità di un materiale di polarizzarsi in presenza del campo elettrico. In breve, si tratta della predisposizione di un materiale a trasmettere un campo elettrico.
La tangente di Loss è la costante di perdita del materiale. In ogni dielettrico vi sono delle cariche libere che danno luogo a una corrente di perdita quando viene applicato un campo elettrico. La conducibilità del dielettrico è piccola ma non nulla per cui, quando si sale in frequenza, le perdite possono assumere significati importanti.
La conducibilità termica definisce la capacità del dielettrico di assorbire e quindi di smaltire il calore che deriva dal funzionamento della componentistica montata sul circuito, fattore questo molto importante perché la temperatura elevata causa una accelerazione dei processi di invecchiamento ed è origine dei meccanismi di guasto.
Altre caratteristiche
Esistono, ovviamente, altre caratteristiche che possono/devono essere prese in considerazione e poste in esame a seconda delle particolari applicazioni del circuito stampato.
Inoltre tutti i materiali impiegati oggi devono rispondere alle normative RoHS e, nell'immediato futuro, alla direttiva Reach che si pone l'ambizioso e condivisibile obiettivo di salvaguardare la salute umana e tutelare l'ambiente dagli effetti nocivi degli agenti chimici ottenendo, quale auspicabile conseguenza, il miglioramento competitivo dell'industria chimica europea attraverso l'innovazione tecnologica.
Finiture superficiali
Anche la scelta delle finiture superficiali del circuito stampato ha la sua importanza ed è dettata dai seguenti fattori:
- tipologia dei componenti da assemblare (PTH e SMD);
- finitura dei componenti stessi (Sn, SnPb, Au);
- processo id saldatura dei componenti;
- tempi di immagazzinamento;
- planarità delle piazzole che ospitano i componenti in SMD;
- costi.
Le finiture oggi maggiormente impiegate sono:
- HAL (Hot Air Levelling) con SnPb: deposizione per immersione in lega SnPb 63/37 con spessore tra 0,8 e 40 micron;
- HAL con SAC: processo simile al precedente, ma la lega Sn/Ag/Cu in composizione 99%, 0,3%, 0,7%;
- Nichel-oro chimico: deposto per via chimica con spessori Ni = 5 micron e Au = 0,1 micron;
- Stagno chimico: desposto per via chimica con spessore Sn = 1 micron;
- Nichel-oro elettrolitico: deposto per via galvanica con Ni = 5 micron, Au = 0,6-2,5 micron;
- Protettivo organico (OPS) deposto per via chimica con spessore < 0,1 micron;
- Argento chimico: deposto per via chimica con spessore Ag = 1 micron;
- Nichel-oro-Palladio: deposto per via chimica in varie combinazioni.
Per schede che hanno componenti ad elevata integrazione la finitura maggiormente richiesta e in Nichel-oro chimico.
Conclusioni
Il costruttore del circuito stampato, come premesso, deve quindi seguire passo dopo passo l'evoluzione tecnologia preparandosi ad anticipare, per quanto possibile, ciò che il mercato in rapida evoluzione necessita. A questo risultato, si può giungere solo supportando il cliente nello sviluppo delle problematiche, migliorando i processi, e affiancando il progettista nella ricerca di nuove soluzioni a beneficio di entrambi.
A questo proposito bisogna quindi offrire al mercato:
1) Un processo industriale qualificato che garantisca elevata qualità ed affidabilità del prodotto;
2) know-how e capacità tecniche in grado di eseguire attività di co-design del lay-out del PCB per poter tenere conto delle esigenze di producibilità indotte da materiali e processi da adottare;
3) elevata flessibilità per la gestione della prototipazione, delle preserie e delle piccole-medie produzioni;
4) impianti e modalità operative attenti alle esigenze ambientali.
