Schede a circuiti stampati: grandi responsabilità, pochissimo rispetto

Le schede a circuiti stampati sono letteralmente le fondamenta dei prodotti e dei sistemi elettronici. Collegano decine, centinaia e persino migliaia di componenti attivi e passivi con piccole piazzole e tracce sottili come un capello, fornendo al contempo un supporto fisico, linguette di montaggio, disposizioni dei connettori e molto altro ancora. Sono spesso chiamate PCB o schede CS, e alcuni anni fa l'IPC, un'organizzazione chiave che determina gli standard del settore, in precedenza conosciuta come Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits, tentò di rinominarle "schede di cablaggio stampate" o PWB, ma il nome non prese piede.

Di certo non è necessario parlarvi del ruolo indispensabile delle schede a circuiti stampati, né delle loro capacità e versatilità. Tuttavia, spesso le si ritiene, per quanto essenziali, dei componenti passivi semplici. Si tratta però di una semplificazione ingannevole.

La curiosa storia delle schede CS

Queste schede hanno un passato interessante. Quando vennero prodotte le prime unità, circa 50 anni fa, molti progettisti le ritenevano allo stesso tempo una necessità e una seccatura. Erano necessarie per la sostituzione del cablaggio punto-punto e delle saldature a mano, una tecnica che non poteva più sostenere la densità e i tempi di produzione necessari per prodotti come i televisori a colori, con i loro oltre 100 tubi sottovuoto spinto. Uno dei principali commercianti di televisori del tempo si vantava che i propri apparecchi fossero realizzati a mano da artigiani anziché basati su un anonimo circuito stampato. Sappiamo bene come sia finita questa campagna pubblicitaria.

Le prime schede CS avevano un'unica faccia ed erano realizzate in fenoli o bachelite, anziché nella moderna combinazione di resina epossidica e fibra di vetro; avevano fori punzonati anziché trapanati per i componenti a foro passante e i conduttori per gli zoccoli, ed erano ancora saldate a mano (Figura 1). Lo spessore dei cavi andava dai 3 ai 6 millimetri.

Figura 1: Schede fenoliche base a foro passante con una sola faccia come questa furono i primi esemplari largamente usati di schede CS. (Immagine per gentile concessione di TheEngineeringProjects.com)

L'affidabilità di queste prime schede era limitata, data la delaminazione del rivestimento, i problemi di tolleranza e le incoerenze relative alle saldature. Ma, come si dice, il fallimento non era contemplato, poiché le schede CS erano l'unica opzione possibile per gestire un numero di componenti maggiore, contenitori CI, componenti più piccoli, una densità dei pin maggiore e, infine, componenti a montaggio superficiale. Le schede CS moderne sono molto più avanzate rispetto ai primi modelli per quanto riguarda qualsiasi parametro relativo a prestazioni e capacità.

È interessante notare che le schede fenoliche a una sola faccia sono ancora usate in alcuni apparecchi di consumo per ospitare quasi tutti i componenti. Vengono innestati dei ponticelli sull'unica faccia così da poter utilizzare un'unica scheda a una faccia, dal costo molto ridotto (Figura 2).

Figura 2: Questa scheda CS fenolica, proveniente da un forno a microonde del 2010, contiene l'alimentatore (a bassa ed alta tensione), il trasformatore, i dispositivi di alimentazione e la maggior parte della circuiteria. Notare l'uso di ponticelli in alto, che permettono di utilizzare una scheda a basso costo con una sola faccia. (Immagine per gentile concessione di Low Price Mart)

La precisione delle schede CS nel multitasking

Nonostante se ne parli spesso con poca importanza, le moderne schede CS sono componenti di precisione altamente ingegnerizzati. Ci si aspetta che facciano molto, molto di più che ospitare i componenti e fungere da piattaforme di interconnessione. I loro compiti comprendono:

1. Nel caso di schede CS di base a due facce, instradare l'alimentazione e la terra sui loro strati esposti.
2. Nel caso di schede multistrato, come la frequente versione a quattro strati, uno strato profondo fornisce la distribuzione dell'energia elettrica a una o più guide, mentre l'altro strato interno è legato a funzioni di terra. Questi strati sono collegati secondo necessità da fori di via (accesso all'interconnessione verticale) conduttivi.
3. Il rame intorno o in prossimità di componenti che raggiungono alte temperature funge da dissipatore di calore o da canalina termica per instradare il calore verso un dissipatore discreto.
4. Il rame delle schede CS può essere impostato per fungere da linea di trasmissione RF, filtro, isolatore o circolatore utilizzando topologie strip-line o microstriscia.
5. Una scheda CS può anche essere progettata per funzionare come antenna, spesso come antenna con disposizione multibanda, anziché a banda singola.
6. Si possono realizzare dispositivi RF passivi (condensatori e induttori) utilizzando pattern di rame adeguati.
7. Tracce di dimensioni precise possono fungere da resistori a basso valore (diversi milliohm) per misurare il flusso di corrente accanto alla caduta di IR lungo la traccia.
8. Il rame può servire anche da anello di guardia intorno a ingressi di sensori analogici sensibili e a basso livello verso amplificatori operazionali.
9. Il rame della scheda può fornire una schermatura EMC per evitare che onde RF accidentali influenzino i circuiti o per contribuire ad attenuare le emissioni della scheda.
10. Fungere da presa a innesto per pin sia rigidi che flessibili, i cui cavi individuali terminano in un cablaggio.

Inoltre, è stato aggiunto un nuovo ruolo alla lista: fungere da connettore di accoppiamento per connettori a perforazione di isolante (IDC) con cavo a nastro, come fa Würth Elektronik. Anziché utilizzare il classico duo per l'accoppiamento di IDC, un maschio con i pin di contatto e una femmina con le prese, Würth utilizza la scheda per l'accoppiamento con l'IDC maschio.

È da notare che non si tratta della prima volta che dei cavi sono stati collegati in modo diretto a una scheda. Per molti anni si sono inseriti dei pin individuali solidi o flessibili nei fori placcati delle schede CS. Era però impossibile rimuovere tali pin senza danneggiare sia loro che la scheda, quindi l'inserimento veniva effettuato una sola volta. La famiglia di connettori REDFIT IDC SKEDD di Würth, invece, può essere collegata e scollegata fino a dieci volte utilizzando le dimensioni e le placcature specifiche dei fori per schede CS, e fino a 25 volte con ampie tolleranze.

Figura 3: La famiglia di connettori REDFIT IDC SKEDD di Würth elimina il bisogno di una presa IDC da collegare all'IDC maschio (pin) e al cavo piatto, riducendo i costi, semplificando la distinta base e riducendo le transizioni da cavo a connettore e, con queste, potenziali fonti di problemi. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Cosa attende le umili e non abbastanza apprezzate schede CS? Sembra che l'ampiamente utilizzato substrato in resina epossidica e fibra di vetro FR-4 non sarà più così diffuso in futuro. Le sue caratteristiche intrinseche non riescono a soddisfare le esigenti richieste dei progetti multigigahertz, dove piccoli fattori elettrici e materiali, tra i quali la costante dielettrica (e_r), il fattore di perdita (tδ) e l'assorbimento di umidità, sono fondamentali. Inoltre, non solo questi numeri devono corrispondere alle necessità dei progetti GHz: devono anche presentare dei coefficienti di temperatura molto bassi, che il substrato FR-4 non possiede. Anche i coefficienti di temperatura meccanici e dimensionali hanno un'importanza maggiore, poiché ogni piccola variazione influenza le prestazioni elettroniche a tali frequenze.

La prossima volta che qualcuno vi dirà che una scheda CS "non è poi un grosso problema", non credeteci. Il successo di un progetto dipende tanto dalla scheda quanto da qualsiasi altro componente. L'abilità di massimizzare le sue funzioni, produrre una scheda multistrato con specifiche molto rigorose, caricarla e saldarla in modo opportuno ha un impatto diretto sulle prestazioni di base, sul tasso di scarto e sull'affidabilità sul campo.

Riferimenti:

1 - Wikipedia, "FR-4" https://en.wikipedia.org/wiki/FR-4

2 - Wikipedia, "Printed circuit board" https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board#Materials

3 - Wikipedia, "Via (electronics)" https://en.wikipedia.org/wiki/Via_(electronics)

4 - SEEED Studio, "Printed Circuit Board (PCB) Material Types and Comparison" https://www.seeedstudio.com/blog/2017/03/23/pcb-material/

5 - Al Wright, Epec LLC., "PCB Vias - Everything You Need To Know" https://blog.epectec.com/pcb-vias-everything-you-need-to-know

6 - John W. Schultz, Compass Technology Group, "A New Dielectric Analyzer for Rapid Measurement of Microwave Substrates up to 6 GHz" https://compasstech.com/wp-content/uploads/2019/02/A-New-Dielectric-Analyzer-for-Rapid-Measurement-of-Microwave-Substrates-up-to-6-GHz.pdf

7 - Rogers Corp., "Characterizing Circuit Materials at mmWave Frequencies" https://www.microwavejournal.com/articles/32237-characterizing-circuit-materials-at-mmwave-frequencies?v=preview

8 - Rogers Corp., "Laminate Materials Simultaneously Increase μ and ε, Reducing Antenna Size" https://www.microwavejournal.com/articles/32056-laminate-materials-simultaneously-increase-mu-and-epsilon-reducing-antenna-size