Circuito stampato.

Il nome di c.s. è la traduzione dell'inglese printed circuit, creato per designare un sistema di connessione completamente diverso dal classico cablaggio elettronico nel quale i diversi componenti del circuito erano fra loro collegati con tratti di filo isolato, saldato a stagno ai terminali. I c.s. sono di origine relativamente recente (come del resto tutta l'industria elettronica); se ne pone la nascita generalmente nel 1940, anno in cui l'inglese Paul Eisler ottenne il primo brevetto in merito. La loro grande diffusione iniziò dopo la guerra mondiale, dapprima nel mondo dei calcolatori elettronici, poi negli apparecchi radio e televisivi (soprattutto quelli allo stato solido, cioè transistorizzati), nelle apparecchiature di controllo, nelle centrali telefoniche, e così via. Le più recenti applicazioni si hanno negli elettrodomestici (ad es. programma per lavatrici) e nelle automobili (controlli elettrici). Il loro sviluppo si è svolto di pari passo con il graduale passaggio dalle apparecchiature a valvole a quelle a transistori e diodi e più recentemente a quelle a circuiti integrati. In effetti questi nuovi componenti sono adattissimi ad un montaggio su c.s. I vantaggi principali di questo montaggio rispetto al cablaggio tradizionale sono i seguenti: a) possibilità di montaggio e saldatura automatica dei componenti; b) semplificazione del montaggio; c) riduzione di peso anche di un fattore 10: 1; d) produzione più uniforme e di qualità meglio controllabile; e) possibilità di minimizzazione delle connessioni; f) facilità di controllo del circuito finito e di ricerca dei difetti (che può ad es. essere condotta anche da un calcolatore elettronico opportunamente programmato; g) possibilità di organizzare il circuito in un sistema compatto e sempre uguale, con risparmio di spazio e facile identificazione dei componenti. Fra i principali svantaggi si possono ricordare: a) difficoltà di progettazione del circuito, che è essenzialmente piano, e quindi senza possibilità d'intersezione fra diversi conduttori; b) amplificazione delle vibrazioni e degli effetti d'urto (compensata in generale da una maggiore resistenza meccanica dell'insieme); c) difficoltà di ripartizione o di sostituzione di componenti difettosi o avariati; d) difficoltà di ricerca immediata di errori circuitali. Si deve quindi concludere che il c.s. è assolutamente vantaggioso in tutte le produzioni in serie, realizzato e prodotto in un numero illimitato di esemplari; se invece si deve costruire solo un'apparecchiatura o un numero molto basso di esemplari può essere conveniente il cablaggio tradizionale. ║ Descrizione. Basilarmente un c.s. è composto di una lastra di materiale isolante detta supporto sulla quale sono tracciate delle piste, costituite da lamine metalliche ottenute in modo opportuno, che rappresentano tutto il sistema di conduttori di un certo circuito elettrico o elettronico. In generale il supporto isolante è forato (i fori possono essere metallizzati o no); in questi fori passano i reofori dei componenti (resistori, transitori, diodi, condensatori, ecc).Questo permette di montare i componenti tutti da un lato del supporto, e di eseguire tutte le saldature (tra reofori e piste del circuito) sull'altro lato. Ciò è indispensabile se si vuole automatizzare il montaggio o quanto meno la saldatura. I c.s. sono di tre tipi principali: ad una faccia, a due facce, multistrati. Quelli ad una faccia hanno piste su un lato del supporto, che è quello di saldatura; sono i più semplici e i più diffusi per lavori poco impegnativi. È però difficile realizzare in questo modo un circuito complesso, in quanto i diversi collegamenti non devono mai intersecarsi. Quelle a due facce posseggono piste su entrambi i lati del supporto, e sono usati per circuiti complessi. Le piste delle due facce sono fra loro collegate in molti punti, attraverso dei fori metallizzati che collegano una pista su un lato con una pista sull'altro lato. In tal modo si possono realizzare anche ponti, cioè intersezioni fra due conduttori senza contatto elettrico: basta far passare un conduttore sull'altra faccia per un certo tratto per poter scavalcare un altro conduttore con cui non si vuole il contatto. Il loro disegno può essere reso molto complesso, e comprendere un circuito di moltissimi componenti. La loro progettazione è più difficile, ma questa organizzazione dei collegamenti su due piani permette una libertà molto maggiore. Sono i più usati in lavori professionali (ad esempio calcolatori elettronici, apparecchiature di controllo complesse, radar, ecc.). I c. s. multistrati detti anche frequentemente multilayer, sono uno sviluppo dell'organizzazione spaziale, che non è più su due piani ma su molti. I conduttori, sotto forma delle solite piste metalliche, sono posti su più piani (generalmente 3 o 4, separati da strati di materiale isolante: fondendo insieme questi strati si ottiene un unico supporto che possiede piste sulle due facce ma anche all'interno (su certi piani paralleli alle facce). Il collegamento fra le piste delle due facce e con quelli presenti all'interno del supporto si ottiene anche in questo caso con fori metallizzati, collocati con opportune posizioni, in modo da collegare le varie piste solo nei punti voluti. Questi circuiti sono di realizzazione difficile e molto delicata; inoltre è impossibile la riparazione di una qualsiasi pista interna interrotta; anche il collegamento per mezzo di fori metallizzati è alquanto ridicolo. Per contro permettono la realizzazione di circuiti estremamente complessi, con moltissimi collegamenti e molti ponti. Vengono quindi usati solo in casi molto particolari, quando non ne è possibile la sostituzione con circuiti a due facce. Parlando dei processi di fabbricazione del c.s. trascureremo quindi questo tipo di circuiti, data la loro limitata diffusione. ║ Processo di fabbricazione. Descriveremo brevemente le varie fasi attraverso le quali si passa nella realizzazione di un c.s. limitatamente ai casi più comuni e ai processi più diffusi: a) Progettazione del circuito. È la fase più difficile del processo o meglio, quella che richiede il maggior impegno. La stesura del tracciato delle piste di un c.s. equivale allo studio della realizzazione piena del circuito elettrico. Il circuito deve riportare tutti i collegamenti previsti dallo schema elettrico e nel modo esatto; inoltre bisogna tener conto delle dimensioni dei vari componenti in modo che essi possano trovar posto nello spazio loro assegnato sul circuito, senza interferenze dannose. Si deve anche tener conto delle dilatazioni termiche, delle dissipazioni di calore da parte di certi componenti e così via. Fatto ciò è necessario minimizzare (compatibilmente con le interferenze dette) la lunghezza di tutti i collegamenti, per avere un circuito più compatto, meglio funzionante e con minor numero di difetti possibili. Si tracciano così tutte le piste; nei punti di queste in cui si collega un componente si prevede una piazzola cioè un ingrossamento della pista (di forma circolare, triangolare, a otto, ecc.) in modo che la pista non sia interrotta dal foro in cui passa il reoforo. Le piazzole sono anche necessarie per garantire un buon contatto fra la pista e il reoforo del componente attraverso lo stagno di saldatura. Il tracciamento del disegno di un c.s. può porre dei gravi problemi di natura topologica; molte Case hanno sviluppato quindi dei programmi per eseguirlo mediante un calcolatore elettronico, dato che il tracciamento manuale è estremamente laborioso in qualche caso quasi impossibile. Ciò non toglie che piccoli circuiti possano essere tracciati a mano in poche ore anche da una persona non molto esperta. In questa fase di disegno - o come spesso si dice, di layout - si possono anche prevedere piste di diversa larghezza in funzione dell'entità delle correnti che in esse circolano. La larghezza minima delle piste si aggira su 0,5 mm; la distanza tra due piste contigue è almeno dello stesso ordine. Le piazzole vanno da un diametro di poco più di 1 mm a diametri di diversi mm. b) Scelta del supporto. Il supporto può essere di varia natura, purché isolante. Si può usare bakelite, vetro, alluminio o acciaio verniciato, materie plastiche di tipo diverso, ceramiche. I supporti metallici verniciati sono molto interessanti, ma danno luogo a problemi di isolamento pressoché insolubili. Ad un supporto si chiede infatti un grande isolamento, che si mantenga attraverso tutte le fasi di fabbricazione del circuito e anche del tempo, nonostante gli agenti atmosferici e le variazioni di temperatura e di umidità. Inoltre deve vere un basso indice di dilatazione, deve essere meccanicamente robusto, resistere al calore di saldatura, essere ben lavorabile, offrire buona adesione alle piste metalliche, e così via. I supporti attualmente più in uso sono a base di resine epossidiche rinforzate con fibre di vetro o, più raramente, con carta. In casi particolari si usano anche supporti in bakelite o vetro o ceramica. Fra i supporti di resine epossidiche con fibre di vetro (i cosiddetti epossivetro oppure epoxy-glass) ne esistono poi vari tipi per i vari usi; molti di questi sono autoestinguenti, cioè non bruciano se non in presenza di una fiamma alimentata da un altro combustibile. Il punto di partenza per la fabbricazione del circuito (nel caso di laminati plastici tipo epossivetro, che è l'unico che tratteremo) non è il semplice supporto ma il cosiddetto copper-clad. Questo non è altro che il laminato su una faccia del quale (o su due facce se il circuito finale deve essere a due facce) viene posta una lastra di rame di 0,02 - 0,1 mm di spessore. Questa può essere ottenuta per incollatura sotto pressione oppure per la deposizione di rame per via chimica (electroless) e galvanica. c) Trasferimento dell'immagine. In questa operazione si trasferisce il disegno del c.s. dal foglio da disegno (sul quale è in generale ingrandito) al copper-clad. Può esser fatto in due modi. Per via fotografica, si esegue un negativo del disegno che poi si proietta per via fotografica sul copper-clad previamente rivestito con uno strato di vernice fotosensibile. Il copper-clad riceve luce solo nei punti in cui dovranno trovarsi le piste del circuito; in questi la vernice subisce modificazioni tali (ad es. polimerizzazione) per cui diviene solubile in un opportuno solvente. Si può quindi eliminare la vernice da questi punti, lasciando ricoperti tutti quelli in cui non si devono formare le piste. Tutta la superficie del copper-clad è ancora conduttrice, dato che il foglio di rame non è stato toccato. Si può pertanto eseguire una deposizione elettrolitica di metallo solo sulle piste e piazzole. Questo deposito può essere ad esempio rame in un primo tempo(per accrescere lo spessore della pista) seguito da argento o lega stagno-piombo al 60-63% di stagno (V. STAGNATURA) o lega stagno-nichel od oro (che richiede però un sottostrato di nichel, altrimenti verrebbe pian piano assorbito dal rame sottostante). Quest'ultimo strato ha la funzione di proteggere le piste non solo dall'ossidazione successiva alla finitura del circuito, ma anche di proteggere le piste durante l'operazione successiva. Questa consiste nell'eliminazione della vernice e del rame del copper-clad nei punti in cui non passano le piste. Questo processo di attacco è generalmente detto etching, e il metallo deposto come ultimo strato per impedire l'attacco delle piste viene chiamato etching-resist. Con il processo seriografico, si parte ancora dalla riduzione fotografica del disegno del circuito, ma questa viene usata per fare uno schermo serigrafico, del tutto identico a quello usato nella stampa per serigrafia. Questo schermo viene poi usato per serigrafare il copper-clad (come se fosse un foglio di carta) sul quale alla fine di questa operazione risultano scoperte di vernice(e quindi suscettibili di ricevere un deposito galvanico) solo le aree che costituiranno le piste e le piazzole. Il resto del processo è del tutto identico a quanto detto prima per il processo fotografico. I due metodi offrono entrambi vantaggi e svantaggi; quello fotografico è usato per piccole produzioni di alta precisione; quello serigrafico per lavori in grande serie. Nel processo ora descritto (sia fotografico che serigrafico) l'elettrodeposizione avviene solo sulle piste e piazzole che costituiranno il circuito finale: questo processo è pertanto detto pattern-plating (cioè deposizione sulle piste). Esiste un altro processo detto panel-plating (cioè deposizione sul supporto), altrettanto diffuso. In questo caso il copper-clad viene sottoposto ad una elettrodeposizione di rame per inspessire il foglio di rame; si passa quindi alla serigrafia o alla vernice fotosensibile e si procede come sopra. Nel caso di c.s. sulle due facce, e quindi con fori metallizzati, il processo si diversifica nelle prime fasi. Il copper-clad va forato (nei punti opportuni) prima di dar luogo ad altre operazioni. Si procede quindi ad una ramatura per via chimica dei fori; indi ad un'elettrodeposizione di rame galvanico per aumentarne lo spessore e poi alle altre operazioni. In questo caso però non si può evitare il copper-clad e partire direttamente dal laminato plastico che viene forato e decappato in opportune soluzioni. La materia plastica del laminato viene quindi sensibilizzata alla ramatura chimica per immersione in un bagno a base di cloruro stannoso e poi in un altro a base di ioni di palladio. Si procede quindi alla ramatura chimica seguita da una ramatura galvanica e dal trasferimento dell'immagine. Esistono ora in commercio anche laminati plastici già direttamente catalitici per il processo di ramatura chimica. Per quanto riguarda l'(etching) del circuito per eliminare il rame dalle posizioni non volute si hanno diverse soluzioni secondo i diversi metalli usati come etching-resist. Se questo è oro (o una sua lega ricca in oro) si può usare una soluzione di cloruro ferrico e acido cloridrico. Se è stagno-piombo si può usare una soluzione di persolfato amminico o una soluzione di anidride cromica e acido solforico. Il processo di etching generalmente automatizzato, è compiuto in breve tempo (con le successive operazioni di neutralizzazione o lavaggio) in macchine apposite. Nel caso di finitura in lega stagno-piombo, particolarmente indicata per la buona stabilità, è opportuno far seguire all'attacco una spazzolatura del circuito (per uniformare la lega) oppure una rifusione della lega stessa, ad esempio nei liquidi altobollenti (glicoli polimerizzati). Nel processo di etching si ha sempre il fenomeno della sottoincisione (o undercut), che consiste nella parziale rimozione del rame che sta sotto il metallo che fa da etching-resist e che compone quindi le piste; è dannoso alla qualità del circuito in quanto riduce sensibilmente la sezione dei conduttori del circuito. Non è possibile evitarlo completamente in quanto le soluzioni usate nel processo di etching sono adatte appunto all'attacco del rame; un buon controllo del processo può però consentire un'asportazione completa del rame dalle zone che non fanno parte delle piste o piazzole senza una sottoincisione troppo spinta. La sottoincisione viene definita quantitativamente come la metà della differenza tra la larghezza del rame della pista vicino al laminato e vicino al metallo protettore. Di solito è tollerata una sottoincisione non superiore allo spessore del rame. d) Finitura. A questo punto il circuito può considerarsi completo, anche se spesso si eseguono altre operazioni di finitura. Una delle più importanti consiste nella preparazione di una contattiera per i necessari collegamenti con altre parti elettroniche della macchina. La contattiera richiede in generale una finitura diversa dai soliti etching-resist. Infatti lo strato metallico che ricopre i contatti deve essere caratterizzato da una sufficiente durezza e resistenza dell'abrasione; inoltre non deve ossidarsi nel tempo e deve condurre bene la corrente. Di solito le contattiere sono poste su un bordo del circuito e vengono dorate con un bagno di oro duro (prima o dopo l'etching, secondo i circuiti). In sostituzione dell'oro (che viene dato a spessore) si può usare del rodio; recentemente è stato proposto anche il palladio. Sistemata la contattiera, si procede all'esame della bontà del circuito. Si controlla pertanto che le piste non presentino delle interruzioni o dei punti di larghezza insufficienti; gli spazi di isolamento fra i correnti devono essere sufficientemente larghi e non presentare tracce di metallo; i fori devono essere ben metallizzati e centrati sulle piazzole, e così via. I correnti devono aderire bene al laminato: si fa una prova di aderenza, tentando di distaccarli facendo aderire ad essi un nastro adesivo opportuno e poi strappandolo via. Oltre a questi difetti non ve ne devono essere di macroscopici, quali screpolature o rotture del laminato, piste errate, ecc. Se il circuito non ha un etching-resist metallico, il rame delle piste può ossidarsi. In tal caso si rimuove la vernice che ha fatto da resist e si proteggono le piste e le piazzole con una vernice opportuna, che viene facilmente rimossa nell'operazione di flussatura che precede la saldatura. Se il circuito è destinato alla saldatura automatica (meccanica) si deve dare sulla faccia da saldare una vernice opportuna che impedisca allo stagno di aderire; tutto il circuito è verniciato in questo modo per via serigrafica, eccetto le piazzole su cui si deve saldare. Le vernici di questo tipo, molto diffuse sul mercato, vengono comunemente chiamate limitatori di saldatura o solder-resist. Infine i circuiti se non sono usati subito, vengono immagazzinati possibilmente in buste di polietilene sigillate, contenenti gel di silice per impedire che l'ossidazione delle piazzole ne peggiori la saldabilità. ║ Saldatura dei c.s. La saldatura può essere fatta in modo assolutamente non convenzionale. I punti da saldare, si è detto, sono tutti raggruppati su una sola faccia; la saldatura deve avvenire fra reofori componenti e le piazzole che li circondano. Tutto il resto è protetto contro l'adesione dello stagno dal limitatore di saldatura. La saldatura meccanizzata (non parliamo di quella tradizionale, usata solo per piccole produzioni) può essere di due tipi: ad immersione e ad onda. La saldatura ad immersione (dip-soldering), introdotta per prima, va ormai scomparendo. In questo processo il c.s. viene prima trattato con un flussante, che spesso è una soluzione di colofonia eventualmente modificata o addizionata di sostanze attive, che ha lo scopo di eliminare gli strati di ossidazione superficiale delle piazzole e dei terminali dei componenti, in modo da migliorarne la saldabilità. In luogo di un flussante a base di colofonia se ne può usare uno a base di acidi organici. In tutti i casi il flussante, una volta asciutto, lascia una pellicola di resina che non intralcia la saldatura ma nello stesso tempo protegge dall'ossidazione le parti da saldare fino al momento della saldatura che avviene al massimo 10-15 minuti dopo la flussatura. La saldatura ad immersione si ottiene immergendo la faccia da saldare del circuito in un bagno di lega stagno-piombo fusa e tenendovela per alcuni secondi,. Dopo l'estrazione si può constatare che, se il processo è ben fatto, lo stagno ha aderito solo nei punti voluti, formando delle saldature fra piazzole e reofori. Naturalmente lo stagno non deve avere formato dei ponti fra due reofori diversi o fra due piazzole, e tanto meno fra due piste. Ciò è ottenibile soltanto con un buon limitatore di saldatura. La lega stagno-piombo è in generale la lega eutetitca (63% di stagno 37% piombo) che fonde a 183°C; in luogo di questa si può usare anche la lega al 60% di stagno che fonde a temperatura leggermente superiore. Il bagno fuso è mantenuto a 210-240°C da un opportuno sistema termostatico. In generale il circuito è immerso leggermente inclinato. Poi va tenuto orizzontale ed estratto di nuovo leggermente inclinato per migliorare il risultato ed evitare saldature troppo grasse, cioè con eccessiva quantità di lega. Il processo può essere automatizzato e anche reso continuo, facendo scorrere il circuito su una guida che lo porta a pescare e restare immerso e poi ad essere estratto da un bagno di lega. La saldatura ad onda, o wave-soldering si va sempre più affermando. In questo processo il circuito trattenuto da un opportuno telaio che scorre su due rotaie orizzontali o inclinate verso l'alto, passa dapprima in una stazione di flussatura, nella quale viene a contatto con flussante liquido che scorre a forma di onda (flussatura ad onda) o che si trova sotto forma di schiuma (flussatura a schiuma). Altri metodi di flussatura meno usati sono quelli a spruzzo o a spazzole rotanti. Dopo la stazione di flussatura se ne trova una di asciugatura e preriscaldo ad aria calda o irraggiamento o con entrambi i metodi. Successivamente il c.s. viene a contatto (naturalmente solo con la parte da saldare, come nei casi precedenti) con un'onda di stagno fuso a 230-260°C che è ottenuta facendo uscire lo stagno fuso sotto pressione da un ugello di forma rettangolare lungo quanto basta per interessare tutto il circuito. Ogni punto del circuito resta a contatto con l'onda per un tempo che va da 1 a 4 secondi(secondo le diverse macchine e velocità del lavoro) quando basta affinché lo stagno aderisca nei punti voluti e formi buone saldature. Segue un'eventuale stazione di lavaggio del circuito per asportare residui di flussante. Anche nella saldatura ad onda, come in quella ad immersione, la lega usata è di stagno-piombo al 63/37 o 60/40, e i flussanti sono analoghi. In questo caso però si ottengono generalmente risultati migliori. Anche la produttività di queste macchine è molto elevata: il circuito passa sull'onda di stagno ad una velocità di 0,5-3 m/minuto, onde una saldatrice di medie dimensioni può effettuare anche 100.000 punti di saldatura l'ora. Il processo di saldatura ad onda è molto delicato ma, oltre alla grande produttività, può anche dare saldature molto più sicure di quelle effettuate a mano con molto maggior dispendio di tempo. ║ Montaggio dei componenti. Può essere effettuato manualmente: per grandi produzioni si ricorre all'inserzione meccanica di almeno una parte dei componenti. In tal caso essi vengono acquistati per lo più nastrati; la macchina provvede al taglio dei terminali alla lunghezza voluta e al loro posizionamento nei fori del circuito. Ogni macchina può inserire uno o più tipi di componenti. In questo modo si realizza un risparmio di mano d'opera e anche una maggior sicurezza che i componenti siano inseriti esattamente. ║ Incapsulamento. Per certi usi (ad esempio militari) si vuole che tutto il circuito, componenti compresi, formi un blocco compatto, in modo da poter sopportare anche maltrattamenti senza pericolo di rottura. In questo caso l'intero circuito viene incapsulato in una resina che lo sigilla. Naturalmente essa deve avere opportuni requisiti elettrici e di resistenza al calore (prodotto da certi componenti durante il funzionamento) oltre che all'umidità, ecc. In molti casi i circuiti così sigillati possono funzionare senza riportare danni. Fra le resine più usate sono quelle epossidiche, siliconiche, poliuretaliche e polistiroliche. Particolari rivestimenti devono poi essere adottati per i c.s. usati su satelliti e astronavi. Essi devono essere in grado di resistere a condizioni ambientali molto severe quali il vuoto più assoluto, escursioni termiche rilevanti, ambiente con il 100% di ossigeno e così via.