Progettazione PCB a Strati Multipli: Produzione di Schede per Circuiti Stampati ad alta Tensione

Planet Earth overlaid on a PCB.

Uno dei miei film preferiti è il primo Shrek. Era riuscito a far parte delle discussioni nerd tra amici e fratelli, lo citavamo tanto quanto citavamo film come Star Wars. Mi è rimasta impressa una scena in particolare, quella in cui Shrek spiega a Ciuchino che gli orchi, come lui, sono esseri complessi. “Le cipolle hanno gli strati. Gli orchi hanno gli strati e le cipolle hanno gli strati. Capito?! Tutti e due abbiamo gli strati!” Ciuchino dice che le cipolle non piacciono a tutti, ma a tutti piacciono le torte. Durante una riunione per la progettazione di PCB, un mio amico ha detto che i PCB a strati multipli stanno in mezzo tra le cipolle e le torte, dipende da quanto uno ami i cibi a strati.

Data la complessità dei PCB multistrato, spesso li considero più simili alle cipolle che alle torte. Ciò che mi aiuta ad odiarli di meno è capire come vengono prodotti e come il mio progetto viene influenzato da questo processo. È ancora più importante conoscere le problematiche legate alla produzione se si ha un progetto ad alta tensione. 

Come Vengono Prodotte le schede Multistrato?

Quando intendete inviare i vostri progetti PCB ad un produttore, questi producono una moltitudine di strati separati che alla fine vengono integrati in una scheda unica. Le tracce di rame vengono stampate e incise, dopodiché laminate. Ciascuno di questi strati viene compresso insieme al materiale isolante da potentissime presse idrauliche, quindi vengono lavorati gli strati superiori e inferiori del pannello.

Gli strati interni del pannello vengono realizzati in "prepreg" (abbreviazione di preimpregnato), che è una fibra di vetro impregnata di resina. La percentuale di resina nel prepreg influenza il modo in cui il pannello si comprime nella pressa idraulica. L'obiettivo è quello di ottimizzare la giusta quantità di prepreg e di livellare la sua viscosità in base all'applicazione finale e di evitare eventuali rotture durante la produzione.

Se la percentuale di colla nel prepreg è troppo alta, questa schizzerà fuori dagli strati. Per quanto questo possa ricordarvi la decorazione di una torta, per la produzione di PCB è estremamente dannosa, come potete immaginare. Troppo prepreg, e la scheda risulterà troppo spessa, il che invalida tutti i vostri calcoli di sicurezza per l'alta tensione.

Che cos’è la resina?

Per un PCB standard, i produttori utilizzerebbero probabilmente un materiale prepreg a basso costo con un alto volume, un basso contenuto di resina e un alto contenuto di vetro (il vetro influenza la penetrazione della resina). Per le soluzioni ad alta tensione, solitamente si preferisce una alta percentuale di resina in modo che non sussistano vuoti dopo che gli strati verranno pressati. Questi vuoti cambiano l'effettivo dielettrico dei vostri strati isolanti e potrebbero invalidare il piano di protezione della tensione.

Prepregs appositi per l'alta tensione come il 1080 o il 2113 sono solitamente una buona scelta. Hanno una percentuale di resina più alta e strati più sottili per evitare che i vuoti o le micro bolle si possano formare, il che migliora la consistenza di tutti gli strati. Nella nostra metafora dei cibi a strati, una stratificazione a scaglie in stile baklava risulterebbe estremamente negativa per le prestazioni ad alta tensione. Questi prepreg hanno anche scaglie di vetro più piccole, quindi la resina penetra meglio. Sono molto più costosi, ma forniscono una protezione migliore per l'alta tensione. 

Quanto sono Spessi gli Strati?

Un tipico strato di prepreg è solitamente spesso 0,05 mm. È possibile realizzare gli strati di prepreg con spessori su misura, ma chiaramente i costi sono maggiori e raramente offrono molti vantaggi nelle prestazioni finali del prodotto. Tuttavia, come qualsiasi cosa, le specifiche del prepreg presentano una tolleranza. Per sapere il grado di tolleranza, rivolgetevi al vostro produttore.

Anche se un piccolo errore percentuale su mezzo millimetro non sembra molto, quando si iniziano a mettere insieme decine di strati, l'errore viene accumulato e può iniziare a influire sulle specifiche finali. In generale, la tolleranza sul prepreg tende verso il lato più spesso, piuttosto che un mix di spesso e sottile che, alla fine, fa media. 

Cosa Succede quando gli Strati della Scheda vengono Pressati?

Dopo che tutti gli strati di prepreg e rame sono sopravvissuti alla pressa idraulica, le schede lavorate vengono cotte. Purtroppo, questo non c’entra niente con la metafora dei dessert. Le schede vengono cotte per circa 20 ore a 260F per un degassamento finale. In questo modo viene rilasciata tutta l'umidità della resina e vengono rimossi i residui, eliminando, si spera, le micro bolle lasciate negli strati.

Se il prodotto finale del PCB è sotto vuoto, o in un ambiente a bassa pressione, le schede vengono rifinite ulteriormente. Questo consiste solitamente in una seconda cottura a temperatura più elevata per quattro o sei ore e fornisce un degassamento definitivo prima che la scheda sia utilizzabile.

Dal momento che sussistono tante variabile che possono intaccare la vostra scheda, è buona norma consultare il vostro produttori all’inizio del processo di progettazione. Assicuratevi che sia in grado di fornirvi il prepreg più adatto e che riesca a fornirvi delle schede con lo spessore più adatto. In questo modo potrete concordare tutte le regole di progettazione insieme prima ancora di dover prendere delle decisioni di progettazione affrettate.

L’impostazione delle regole di progettazione, come lo spessore degli strati, all’inizio del processo di progettazione rende il lavoro di controllo degli errori più semplice. Alcuni software EDA richiedono l’esecuzione di uno script per ricontrollare il progetto, lasciandovi poi il tempo di sistemare eventuali problemi. Altri, come Altium Designer®, riescono a rilevare gli errori nel momento stesso in cui state lavorando, indicandovi precisamente la causa dell’errore, riducendo il processo di riprogettazione del lavoro svolto prima di aver lanciato nuovamento uno di questi script di controllo.

Se avete qualche domanda sul come usare Altium per migliorare il vostro processo di progettazione e produzione, disponiamo di apposite sezioni in vostro aiuto.

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