Circuiti stampati
In questo articolo parleremo dei circuiti stampati, che sono molto utilizzati nella tecnologia elettronica odierna, analizzando la sua progettazione, e la realizzazione di un PCB con i relativi master.
Il circuito stampato costituisce il supporto meccanico più utilizzato e più stabile per il collegamento di componenti elettronici. Le tecnologie di produzione dei circuiti stampati hanno subito molti cambiamenti nel corso degli anni. In pratica un circuito stampato o PCB (Printed Circuit Board) consiste in un supporto isolante su cui vengono realizzate delle sottili strisce di rame (nel linguaggio tecnico piste) che connettono tra di loro i componenti elettronici saldati sullo stesso supporto; il montaggio dei componenti avviene secondo due tecniche:
THT (Through Hole Tecnology): è la più antica e consiste nel montaggio dei componenti mediante saldatura dei loro terminali (detti reofori) su un’area di rame detta piazzola, mediante il passaggio dei terminali attraverso dei fori (hole) praticati sul supporto isolante. La faccia su cui sono disposti i componenti viene chiamata lato componenti, mentre la faccia opposta, in cui vengono saldati i componenti e su cui sono presenti le piste, viene chiamata lato rame.
SMT (Surface Mount Tecnology): vengono utilizzati particolari componenti detti SMD (Surface Mount Device) di dimensioni ridotte e con terminali aderenti al contenitore (package) del componente. In questo caso il componente viene collocato in modo aderente alla piastra e saldato sullo stesso lato, quindi in questo caso il lato componenti coincide col lato rame. Per semplificare la realizzazione di un circuito stampato e per minimizzare la sua area possono essere utilizzati diversi livelli di interconnessione dei componenti (sia in tecnologia THT che SMT), in modo da poter incrociare tra loro diverse piste, ma su piani differenti. Nel caso in cui un circuito stampato utilizza una sola faccia per la realizzazione delle piste il circuito è detto monofaccia, invece nel caso di due facce il circuito è detto a doppia faccia.
Progettazione di un circuito stampato
La realizzazione di un PCB è un aspetto delicato nella costruzione di apparecchiature elettroniche e richiede un’attenta analisi da parte del progettista. In particolare per la realizzazione di un PCB è necessario applicare un notevole sforzo inventivo legato all’esperienza acquisita dai vari PCB costruiti. Per tal motivo è sempre meglio cimentarsi nella realizzazione di PCB partendo da circuiti semplici monofaccia in tecnologia THT. La realizzazione di un circuito stampato è preceduta da una delicata fase di progettazione, in cui le scelte effettuate giocano un ruolo importante al fine di ottenere un buon risultato finale. La costruzione di un PCB parte dalla realizzazione di uno schema elettrico in cui sono rappresentati tutti i componenti e le interconnessioni tra loro. Già in questa fase le scelte effettuate possono inficiare sul risultato finale, infatti alcune interconnessioni presenti sullo schema elettrico possono essere modificate in modo preventivo pensando già alle conseguenze che si possono avere sul PCB. Per esempio potrebbero essere scelte appropriate configurazioni dei pin di I/O di un microcontrollore in modo da minimizzare gli incroci tra i collegamenti dello schema elettrico. Dopo aver realizzato tutte le interconnessioni tra i componenti sono finalmente pronte le tracce su cui in seguito verranno realizzate le tracce di rame. Il tracciato ottenuto viene chiamato master e nel caso di layout a doppia faccia se ne ottengono due.
Realizzazione di un PCB
Dopo il progetto del layout si passa alla fase realizzativa del PCB che richiede molta attenzione e un po’ di manodopera. In questa fase bisogna trasferire il master realizzato (o i master nel caso di piastra a doppia faccia) sulla piastra, realizzando le tracce ramate per il passaggio della corrente. Inizialmente consiglio di stampare il master, su un foglio di carta in modo da verificare tutti i collegamenti mediante il confronto con lo schema elettrico, e verificare se le dimensioni dei componenti sono quelle reali, soprattutto per i componenti SMD in cui ci si può permettere una scarsa tolleranza.La realizzazione di un PCB, ovvero, la trasformazione del master realizzato in rame disposto su un supporto isolante richiede diverse fasi:
1) trasferimento del master sulla piastra ramata
2) attacco chimico del rame
3) foratura e rifinitura
Trasferimento del master sulla piastra ramata. A partire dal master è possibile trasferire tale figura su una piastra ramata mediante diverse tecniche più o meno “artigianali”: utilizzo di fogli PnP, fotoincisione, uso di trasferibili. In questa sede parleremo solo della prima tecnica, che risulta semplice ed immediata, a scapito di qualche costo aggiuntivo. Il foglio PnP (Press-N-Peel) o più comunemente detto foglio blu, è un particolare foglio plastico di dimensione A4 con una faccia liscia plastificata ed una faccia ruvida, entrambe di colore blu. Il PnP è un foglio stampabile mediante una qualunque stampante laser (solo sul lato ruvido) ed ha la proprietà di rilasciare il toner se riscaldato ad una temperatura di circa 100°C. Grazie a tale foglio è possibile riportare il master realizzato sulla piastra ramata. Inizialmente va stampato il master da trasferire sul foglio PnP, utilizzando la massima definizione della stampante.
Attacco chimico del rame. La realizzazione delle piste di connessione tra i componenti del circuito avviene mediante l’asportazione del rame non ricoperto dal master precedentemente realizzato, che avviene mediante un processo chimico di ossido-riduzione. Tale reazione è provocata da sali liquidi che attaccano il rame. Il master precedentemente realizzato ha, infatti, lo scopo di proteggere il rame che andrà in seguito a formare le piste del layout. Per la reazione di ossido-riduzione può essere utilizzata una soluzione di percloruro ferrico o una miscela di acido cloridrico e acqua ossigenata. La prima soluzione è utilizzabile decine di volte, è facilmente reperibile, ma risulta essere pericolosa e molto sporca. La seconda soluzione è facilmente ottenibile in casa, infatti l’acido cloridrico non è altro che il normale acido muriatico utilizzato nelle pulizie domestiche mentre l’acqua ossigenata è reperibile nei negozi per parrucchieri. Per quanto riguarda quest’ultimo componente è meglio utilizzare una soluzione a 30/40 volumi, in modo da accelerare la velocità di reazione. Il processo di attacco chimico per le due soluzioni può durare una decina di minuti, e dipende dalla temperatura della soluzione (una soluzione più calda ha tempi di reazione minori). In entrambi i casi bisogna agitare costantemente la soluzione e controllare il livello di corrosione del rame. Quando tutto il rame esposto è stato esportato è possibile uscire la piastra dalla soluzione e pulirla sotto un flusso d’acqua corrente. Bisogna porre molta attenzione nell’uso delle due soluzioni, infatti sono molto tossiche e corrosive, quindi bisogna evitare qualsiasi contatto ed in caso di schizzi accidentali è necessario lavare le parti interessate con abbondante acqua fredda.
Foratura e rifinitura. Dopo l’attacco chimico è necessario asportare lo strato blu e gli eventuali trasferibili dalla piastra; dopo è possibile tagliare le parti al di fuori del layout.
Assemblaggio dei componenti. Dopo aver realizzato il PCB si procede al posizionamento dei componenti sulla piastra e alla loro saldatura. Durante tale fase è essenziale utilizzare il flussante, in modo da facilitare la stesura dello stagno sul componente.
