Circuiti Stampati. 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 radicali cambiamenti nel corso degli ultimi decenni, una prova di ciò si ha confrontando il circuito interno di una radiolina degli anni 80 e gli ultimi circuiti stampati dei cellulari. In pratica un circuito stampato o PCB (Printed Circuit Board) consiste in un supporto isolante su cui vengono realizzate sottile strisce di rame (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) e SMT (Surface Mount Tecnology). La prima tecnica 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. Nella tecnica a montaggio superficiale (SMT) 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. Esiste anche un terzo tipo di PCB detto circuito multistrato in cui diversi livelli di interconnessione (anche qualche decina) sono realizzati sulla stessa piastra. Per esempio nel caso delle schede madre dei PC solitamente sono utilizzati circuiti stampati a quattro strati: uno per la Vcc, uno per la massa e due per le notevoli interconnessioni tra i componenti. La realizzazione di PCB multistrato richiede sofisticate apparecchiature utilizzate solo a livello industriale, quindi nel corso di questo tutorial verranno trattati solo circuiti stampati a mono e 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 la realizzazione dello schema elettrico si passa al progetto vero e proprio del PCB che viene indicato col termine layout. In questa fase viene scelta la posizione dei componenti nel circuito stampato e vengono realizzati i collegamenti tra essi mediante le piste. Questa fase è semplificata dall uso di opportuni CAD come l ORCAD [1] o l Eagle [2]. La realizzazione del layout può essere difficile, soprattutto per circuiti in cui si utilizzano parecchi componenti con molti terminali, infatti
deve essere scelta la migliore disposizione dei componenti e i percorsi delle piste minimizzando il numero di incroci. Questa fase viene detta sbroglio. Il connubio tra posizione dei componenti, percorsi delle piste e minimizzazione dell area utilizzata presenta molte difficoltà e può avere diverse soluzioni, dettate il più delle volte dalla bravura del progettista. Anche i CAD sopraindicati possono realizzare lo sbroglio, ma con risultati pessimi che testimoniano la difficoltà presente in questa fase. Nella fase di creazione del layout spesso ci si imbatte in qualche inevitabile incrocio tra le piste che evidentemente non può essere fisicamente realizzato sullo stesso lato di una piastra. Per ovviare a ciò si effettuano alcuni cambiamenti sul layout al fine di evitare l incrocio o nel caso in cui non si trova alcuna soluzione si introducono dei ponticelli, come quelli indicati in figura 1, in modo da scavalcare le piste. I ponticelli sono realizzati inserendo un normale pezzo di cavo (solitamente da 0.5 mm) tra due piazzole precedentemente inserite nel layout. Figura 1: Esempio di ponticelli Nei casi più critici, in presenza di molti incroci si ricorre all uso di una piastra a doppia faccia, in cui sulle due superfici si realizzano le piste. In questo caso il collegamento elettrico tra due sezioni del circuito avviene mediante una connessione passante, che viene realizzata inserendo un pezzo di cavo (sempre dello spessore da 0.5 mm) attraverso la piastra e saldando le due estremità a due piazzole sovrapposte (figura 2). Figura 2: connessione passante
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. È utile osservare che le dimensioni delle piste devono essere adeguate: sia alla quantità di corrente che le attraverserà (piste più larghe per correnti più elevate), sia al tipo di processo utilizzato per la realizzazione del PCB (le piste non possono essere troppo piccole, al più si possono realizzare piste da 0.4 mm). Quindi è possibile realizzare piste di larghezza minima pari a 0.4 mm ma è sempre buona norma utilizzare spessori più grossi (circa 1 mm). Qualora si dovessero progettare circuiti con elevati flussi di corrente si può utilizzare il seguente grafico per la scelta degli spessori più appropriati. Figura 3: Grafico dello spessore delle piste vs corrente 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 (in figura 4 è riportato un master di esempio) 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. Figura 4: Stampa del layout
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 (fig. 5). Figura 5: PnP Questo foglio è acquistabile presso negozi per materiale elettronico o su Internet, ad un costo medio di 3 euro. 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. Consiglio di ritagliare solo una parte del PnP (quella necessaria per contenere il master) prima della stampa (Fig. 6) in modo da riutilizzare le parti rimanenti per altri master. Figura 6: Ritaglio di PnP
Incollare la parte liscia del pezzo di PnP ritagliato su un foglio di carta A4, in corrispondenza della posizione in cui verrà stampato il master. Stampare il foglio precedentemente preparato ponendo molta attenzione sul lato di inserimento del foglio nella stampante. Inoltre bisogna controllare che il master stampato sia nel verso giusto, in altre parole, potrebbe essere necessario invertire (mirrorare) il master visto che nel processo di trasferimento il master viene capovolto (fig. 7). Figura 7: capovolgimento del layout Dopo la stampa del master, come indicato in figura 8.a, il pezzo di foglio blu viene staccato dal foglio di carta e disposto sopra una piastra ramata (col lato stampato a contatto col rame), che in precedenza è stata pulita con una paglietta da cucina o della carta abrasiva al fine di ottenere una superficie pulita (fig. 8.b). Figura 8.a: Stampa del layout sul PnP Figura 8.b: Preparazione della piastra ramata Dopodiché applicare un ferro da stiro (fig. 9) con temperatura impostata su lana, in modo da ottenere una temperatura di circa 100 C, premendo per alcuni minuti sul foglio blu in modo da far attaccare il toner al rame.
Figura 9: passaggio del ferro da stiro sul PnP Dopo aver fatto raffreddare la piastra ramata (in pratica dopo circa 5 minuti), staccare lentamente il foglio blu dalla piastra; il toner e lo strato blu del foglio in corrispondenza del layout rimangono incollati alla piastra (figura 10.a). Le prime volte in cui si applica tale tecnica si possono ottenere dei risultati poco soddisfacenti, ma in seguito con un po di esperienza le cose migliorano certamente. Figura 10.a: estrazione del PnP Figura 10.b: Risultato finale Nel caso in cui si dovessero presentare delle imperfezioni sul master ottenuto si può apportare qualche riparazione mediante un pennarello indelebile o ancor meglio con dei trasferibili. Quest ultimi sono delle strisce plastiche (fig. 11) applicabili sul rame ricalcando con una penna la faccia liscia dei fogli che li contengono. Tali fogli sono facilmente reperibili nei negozi per componenti elettronici e Internet. Figura 11: Vari tipi di trasferibili
Figura 12: Applicazione di una piazzola Mediante tali fogli è possibile anche realizzare l intero master, nei casi più semplici. A questo punto il master progettato è riportato sulla piastra ramata e si può passare alla seconda fase. 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 (figura laterale). 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. Dopo l attacco chimico il risultato finale è quello di figura 14, dove è possibile notare l assenza di rame nelle zone non coperte dalla carta blu.
Figura 14: Risultato post incisione Per maggiore chiarezza, visto che il metodo di sviluppo acido cloridrico/acqua ossigenata è più semplice da riprodurre in ambiente domestico, di seguito sono elencate le fasi di sviluppo. 1) Posizionare la piastra da incidere all interno di un contenitore plastico e versare una piccola quantità di acido cloridrico (comunemente detto acido muriatico, reperibile in tutti i supermercati), in modo da coprire l intera piastra. 2) Versare un piccolo quantitativo di acqua ossigenata (l acido cloridrico e l acqua ossigenata devono soddisfare un rapporto stechiometrico di 20 a 3, rispettivamente). Per un quantitativo di 200 ml di acido cloridrico sono necessari 30 ml di acqua ossigenata a 30 volumi.
3) Agitare la soluzione in modo da aumentare la velocità di reazione. Si possono osservare delle piccole bollicine derivanti dalla reazione, costituite da cloro. Per tal motivo è necessario realizzare lo sviluppo in un ambiente ben areato. 4) Quando tutto il rame non coperto dal master è stato eliminato è possibile togliere la piastra dalla soluzione mediante delle pinzette. In seguito la piastra va lavata sotto l acqua corrente e rifinita. Foratura e rifinitura Dopo l attacco chimico è necessario asportare lo strato blu e gli eventuali trasferibili dalla piastra mediante una paglietta per cucina o della carta abrasiva. Per facilitare l operazione è consigliabile utilizzare dell alcol etilico. Dopodiché è possibile tagliare le parti al di fuori del layout, mediante una cesoia o un seghetto, e forare le piazzole mediante un piccolo trapano in grado di montare punte da 0.7 mm. In commercio è possibile reperire trapani alimentati a 12V con mandrini estremamente sottili. Figura 16: PCB ultimato Assemblaggio dei componenti Dopo aver realizzato il PCB si procede al posizionamento dei componenti sulla piastra e alla loro saldatura. In genere è consigliato partire dall assemblaggio dei componenti più piccoli, per esempio quelli SMD (fig. 18), in modo da gestire facilmente la fase di saldatura. Durante tale fase è
essenziale utilizzare il flussante (fig. 17) in modo da facilitare la stesura dello stagno sul componente. Figura 17: stesura del flussante. Scritto da: Giuseppe Fiscelli Copyright 2007 Figura 18: Saldatura di un componente SMD.