In elettronica, un circuito stampato (, in sigla PCB) è un supporto usato per interconnettere tra di loro i vari componenti elettronici di un circuito tramite piste conduttive incise su di un materiale non conduttivo.
Di solito il materiale usato come supporto è la vetronite ramata, ovvero, una piastra di fibra di vetro ricoperta da un sottile strato metallico. Tale strato viene successivamente intagliato con la tecnica di fotoincisione (tramite l'azione di luce e acidi) o con quella di fresatura meccanica (tramite fresa CNC).
L'intaglio serve a creare le sopracitate piste che interconnetteranno tra loro i vari componenti del circuito progettato. In breve, il circuito stampato può essere definito come la scheda su cui verranno saldati tutti i componenti del circuito elettronico che si sta realizzando.
Sigle identificative
Nel campo industriale italiano molti si riferiscono al circuito stampato con la sigla "CS". La sigla "PCB", più internazionale, sta per "Printed Circuit Board"; meno spesso si usa anche la sigla sinonima "PWB", che sta per "Printed Wiring Board". A volte (ma erroneamente) viene chiamato "PCB" anche un circuito elettronico completo, cioè costituito da un circuito stampato completo dei componenti elettronici già saldati. In questo caso la sigla corretta è invece "PCBA" ("Printed Circuit Board Assembly"). Con l'avvento dei LED di potenza, si è reso necessario un nuovo tipo di circuito stampato in grado di dissipare il notevole calore prodotto dai nuovi LED, definito "MCPCB", sigla di Metal Core Printed Circuit Board, e caratterizzato da un nucleo principale di alluminio o rame, metalli con buona conducibilità termica.
Descrizione Funzioni Questi circuiti stampati vengono adibiti alle seguenti funzioni: collegamento elettrico tra i vari componenti elettronici, in modo da costituire un vero e proprio circuito elettrico propriamente detto; supporto meccanico per i componenti e gli accessori (dissipatori, connettori, ecc.), in modo da costituire un sistema nel quale ogni componente trova una precisa posizione geometrica. Inoltre la lavorabilità meccanica del supporto consente la sagomatura dei bordi (mediante fresatura o tranciatura) in modo da consentire l'alloggiamento meccanico del circuito stampato in contenitori anche di forma complessa. creazione diretta di componenti elettronici passivi; in casi particolari si possono anche creare direttamente sul circuito stampato piccoli condensatori e induttori sfruttando opportunamente la capacità parassita fra gli strati e una voluta geometria delle piste.
Tipi di circuito stampato A seconda del tipo di substrato e di processo produttivo, il circuito stampato può essere definito meccanicamente "rigido", "flessibile" oppure "rigido-flessibile", se costituito da parti rigide collegate tra loro da sezioni flessibili. A seconda del numero degli strati conduttivi presenti nel circuito stampato il processo produttivo diventa progressivamente più complesso e costoso.
In base alla complessità tecnologica, proporzionale al numero di strati, si parla di: "monofaccia" o "monorame" (un solo strato conduttivo) "doppia faccia" o "due strati" (due strati conduttivi) "multistrato" (nella maggior parte delle applicazioni di numero compreso tra 4 e 8 strati, ma è possibile anche realizzare 20 o più strati)
Nei circuiti multistrato il numero di strati conduttivi in teoria è a scelta, ma normalmente essi sono presenti in numero pari, e difficilmente vengono realizzati in numero dispari. Gli strati sono anche denominati con il termine inglese "layers".
Composizione Un circuito stampato rigido si compone di un substrato solido, piano e di spessore costante costituito da materiali aventi caratteristiche più o meno spinte di autoestinguenza, e da un laminato VENTILATORE di rame fatto aderire ad una od entrambe le facce (nel caso di PCB a singola e doppia faccia) od anche inserito tra diversi spessori di substrato (nel caso di PCB multistrato).
Substrato I materiali del substrato sono detti "materiali di base", esistono in una vasta gamma di varietà e si distinguono essenzialmente per diverse proprietà quali rigidità dielettrica, fattore di merito (o, all'inverso, fattore di perdita) e resistenza alle elevate temperature. La più comunemente usata come materiale di supporto è la vetronite mentre, molto più raramente rispetto agli inizi e per prodotti particolarmente economici, è oggi anche usata la bachelite.
Materiali più o meno comunemente usati sono: FR-1, carta impregnata di resina fenolica, spesso denominata semplicemente "bachelite". Come l'FR2, adatto ad intervalli di temperatura entro i 105 °C, a volte 130 °C. Bassa resistenza all'umidità ed agli archi elettrici. FR-2, carta impregnata di resina fenolica come la FR-1, con cui condivide in gran parte le proprietà. FR-3, carta impregnata di resina epossidica, per temperature fino a 105 °C. FR-4, fibra di vetro (in tessuto) e resina epossidica, ridotto assorbimento di umidità. FR-5, fibra di vetro e resina epossidica, alta resistenza meccanica e a temperature elevate, tipicamente utilizzabile fino a 170 °C. FR-6, lana di vetro (sfusa) e resina poliestere. G-10, fibra di vetro e resina epossidica. Elevata resistenza elettrica, basso assorbimento di umidità, Ottima resistenza meccanica. Utilizzabile fino a 130 °C. G-11, fibra di vetro e resina epossidica. Elevata immunità ai solventi, mantiene un'elevata resistenza a flessione alle temperature più alte. Utilizzabile fino a 170 °C. CEM-1, carta, fibra di vetro e resina epossidica CEM-2, carta e resina epossidica CEM-3, lana di vetro e resina epossidica CEM-4, fibra di vetro e resina epossidica CEM-5, fibra di vetro e resina poliestere. Teflon (PTFE). Costoso, con basse perdite dielettriche, per applicazioni in alta frequenza (microonde), ha un bassissimo assorbimento di umidità (0.01%) ma è meccanicamente tenero. Difficile da laminare, è raramente usato in CS multistrato. PTFE con additivi ceramici. Costoso, con basse perdite dielettriche, per applicazioni in alta frequenza. Differenti rapporti ceramiche/PTFE permettono di adattare all'applicazione costante dielettrica ed espansione termica. RF-35, PTFE con additivi ceramici e vetronite. Meno costoso del solo Teflon con ceramiche, ha buone caratteristiche meccaniche ed in alta frequenza. Allumina, un tipo di ceramica. Dura, fragile, molto costosa. Ottima conducibilità termica. Poliimmide, tipicamente Kapton, un polimero resistente alla temperatura. Costoso ma ad elevate prestazioni, ha però un elevato assorbimento di umidità (0.4%). Può essere usato da temperature criogeniche fino a più di 260 °C.
Strato conduttivo Su una o entrambe le facce esterne del substrato viene applicato, con un forte collante termoadesivo composto da tessuto di vetro impregnato di resina, uno strato di rame laminato avente spessore costante e predeterminato. Tale spessore viene indicato come tale (in micron) oppure come "peso in rame per area (di substrato)" (in g/m2 o, nel caso di misure imperiali, in once per piede2), più pratico da trattare in fase di fabbricazione della piastra. Il più comune spessore adoperato, 35 μm, corrisponde a circa 300 g di rame, per m2 di substrato (1 oncia/piede2). Uno strato superiore a 900 g/m2, cioè circa 105 μm, viene definito Heavy copper ed è usato per forti correnti o per dissipare il calore di alcuni componenti montati su di esso (sebbene più modeste quantità di calore possano essere dissipate anche da spessori inferiori). Sul più comune substrato FR4 sono anche spesso disponibili spessori da 150 e 600 g/m2 (rispettivamente 17.5 e 70 µm); meno frequentemente si trovano spessori da 100 e 900 g/m2 (12 e 105 µm). Particolari tipi di CS possono usare spessori diversi: ad esempio, i circuiti flessibili usano spessori tipicamente inferiori a quelli citati mentre piastre con substrato metallico per componenti di potenza possono arrivare ad oltre 400 µm. Oltre al rame, possono essere adoperati materiali conduttori differenti quali Argento-Palladio (AgPd), Oro-Palladio (AuPd) ed altri; il loro costo è comunque sensibilmente superiore al semplice rame e sono quindi riservati per tipi speciali di PCBA.
La piastra così ottenuta viene forata per consentire il futuro passaggio dei terminali passanti dei componenti elettronici e soprattutto per realizzare il collegamento elettrico tra i piani superiori e inferiori. Per ricavare dalla superficie in rame la rete di collegamenti (piste e pad) necessari, si esegue l'asportazione chimica selettiva del rame in eccesso. Questo avviene mediante deposizione di fotoresist, esposizione fotografica, sviluppo e attacco acido (etching).
Il collegamento elettrico tra lo strato di rame superiore e quello inferiore avviene attraverso la metallizzazione di tutti i fori precedentemente realizzati: vengono metallizzati sia i fori dove successivamente verranno inseriti i vari componenti, sia i cosiddetti "fori di via", realizzati al solo scopo di collegare lo strato superiore a quello inferiore; questo è reso possibile da un delicato processo di deposizione galvanica di rame detto "processo di metallizzazione". Uno dei processi più diffusi prevede la successiva deposizione di un metallo; questo ulteriore strato di metallo funziona da "metal resist", cioè protegge il rame depositato.
Le parti delle due facce esterne di rame non destinate alla successiva saldatura dei terminali dei componenti, i quali verranno poi montati sul circuito stampato, vengono protette dall'ossidazione e dai contatti elettrici indesiderati con una vernice isolante.
Infine si procede alla eventuale stampa di scritte, diciture, disegni e altre indicazioni sul circuito stampato.
Al fine di garantire che il circuito stampato non presenti anomalie elettriche, al termine di tutte le lavorazioni il circuito stampato viene testato elettricamente per verificare la funzionalità elettrica.
Negli ultimi anni si è diffusa una tecnologia sull'intero spessore del circuito stampato, ovvero dei fori ciechi, i quali connettono una delle facce esterne a uno degli strati interni, quindi vengono praticati a profondità controllata sull'asse Z del circuito. Questa tecnica permette di ottenere una più alta densità di connessioni per unità di superficie e diventa quasi inevitabile quando il progettista voglia montare sul circuito stampato componenti elettronici di ultimissima generazione e in spazi ristretti. I fori ciechi di piccola dimensione vengono realizzati mediante un laser di precisione. Medesime considerazioni valgono anche per i fori interrati (all'interno degli strati che compongono la piastra).
Tecnologie di montaggio dei componenti sul circuito stampato Fori passanti