Inside PCB factory: come è fatto un circuito stampato

Il processo di produzione dei circuiti stampati possiede una serie di varianti ma, nonostante molte piccole variazioni, le fasi principali della produzione dei PCB sono pressoché identiche. In questo articolo scopriremo quali sono le fasi di un processo di produzione standard nelle industrie elettroniche e come è fatto un circuito stampato.

Controllo e revisione dei file gerber

Quando il design di un circuito viene approvato per la produzione, i progettisti lo esportano nel formato supportato dai loro produttori. Il software più utilizzato si chiama Extended Gerber. Il file Gerber contiene informazioni sulle connessioni elettriche quali piste, vias, e piazzole, indicazioni per la foratura e fresatura del circuito stampato. Quasi tutte le fabbriche di PCB eseguono un processo chiamato Design for Manufacture (DFM), in cui un team esperto di ingegneri esegue dei controlli per verificare la fattibilità del progetto.

Preparazione del substrato

In genere, i substrati per circuiti stampati possono essere realizzati con una varietà di materiali. Il substrato di uso comune è una lastra in fibra di vetro conosciuta come FR4. Al fine di creare un circuito con le piste per i componenti, la lastra è rivestita di rame su entrambi i lati. Tramite un processo automatizzato le lastre vengono tagliate e forate in base al progetto del cliente.

Il processo di drilling (perforazione) viene eseguito tramite delle macchine a controllo numerico e i fori possono avere un diametro inferiore rispetto al diametro di un capello. Esistono infatti macchine in grado di realizzare dei fori con un diametro pari a 100 micron e il diametro di un capello misura mediamente 150 micron. Dopo la perforazione, le schede vengono immerse dentro vasche contenenti un liquido con sali di rame per effettuare il processo di Plated Trough Holes. in questo processo un sottile strato di rame viene placcato sulle pareti dei fori per consentire la conduttività tra due o più strati di rame.

Come è fatto un circuito stampato: processo di fotoincisione

Per ottenere il circuito desiderato, viene utilizzato un processo di fotoincisione. Una sostanza chimica chiamata fotoresist viene applicata ai pannelli di rame all’interno di una stanza speciale con luce gialla. Questa sostanza ha la proprietà di poter essere rimossa facilmente dalla soda caustica nel caso venga esposta ai raggi UV; invece è molto resistente alla corrosione se non esposta. I pannelli di rame contenenti il film sottile di fotoresist vengono quindi esposti alla luce UV attraverso una maschera che definisce le tracce richieste. In questo modo, l’immagine delle piste viene trasferita al film sottile. In seguito, tramite il trattamento con soda caustica, viene effettuato lo sviluppo che consente la rimozione del fotoresist nelle zone desiderate.

Il rame non protetto dal fotoresist verrà rimosso durante la fase di etching. Questa fase consiste in un trattamento con il cloruro ferrico, in modo da ottenere l’incisione delle aree in cui non è necessaria nessuna pista. Infine, un’azione chimica chiamata strippaggio asporta il film di fotoresist rimasto sopra le piste.

Ispezione ottica e realizzazione della maschera per saldatura

In questa fase i pannelli vengono puliti e sottoposti al controllo AOI (Automated optical inspection). Una macchina esegue un’ispezione ottica dei pannelli per confermare la totale assenza di difetti. In particolare, una telecamera scansiona i circuiti ed effettua il confronto tra l’immagine digitale e il file Gerber. Il pannello che supera l’ispezione passa alla fase di realizzazione del solder mask.

Una vernice fotosensibile viene depositata su tutta la superficie del circuito creandone una copertura uniforme. Anche per la realizzazione dello strato di solder mask è adoperato un processo fotografico in cui vengono polimerizzate tutte le parti che dovranno essere protette. Un attacco chimico, invece, rimuove le parti non polimerizzate, ad esempio le piazzole di saldatura. Lo strato di solder mask è una particolare resina che funge da maschera e viene applicata con lo scopo di delimitare le aree da saldare, proteggere le piste, migliorare l’isolamento elettrico e ridurre la possibilità di formazione dei cortocircuiti.

Come è fatto un circuito stampato: stampa serigrafica e profilatura

I pannelli quasi completi vengono sottoposti ad un processo di stampa a getto d’inchiostro per la realizzazione della serigrafia. La serigrafia viene solitamente applicata sul lato dei componenti e viene usata per indicare tutte le informazioni essenziali relative al circuito stampato. I pannelli passano finalmente all’ultima fase di rivestimento e polimerizzazione.

Generalmente, un pannello è composto da un certo numero di schede, che devono poter essere estratte dal pannello originale. Il metodo utilizzato è il V-Scoring e consiste nel lasciare delle piccole linguette lungo i bordi di ogni PCB, ovvero delle scanalature a forma di V su entrambi i lati della scheda in modo da essere estratta facilmente dal pannello.

Test elettrici e spedizione

Tutte le schede prodotte, vengono sottoposte a dei test di connettività delle piste. Una procedura automatizzata conferma la funzionalità del PCB e la sua conformità al design originale. I metodi impiegati sono il Test Fixture e il Flying Probe Testing. Il primo utilizza un’attrezzatura (fixture) sulla quale vengono posizionati in maniera opportuna una serie di aghi che fanno contatto con i punti di test del circuito. Il secondo metodo, invece, consiste nello spostamento di una o più coppie di sonde per verificare le connessioni elettriche di ogni singola pista dei circuiti stampati. Infine, un’ispezione visiva delle schede assicura che tutto sia in regola prima di passare alle fasi di imballaggio e spedizione.

Come è fatto un circuito stampato: processo di assemblaggio

Per tutti i clienti che lo desiderano, le industrie dei circuiti stampati offrono anche un servizio di assemblaggio dei componenti. Le fasi principali di assemblaggio sono:

• la stesura della pasta saldante
• il posizionamento dei componenti
• la saldatura

Stesura della pasta saldante: per posizionare i componendi sulla scheda è necessario stendere della pasta saldante su tutte quelle zone che rappresentano le pad dei componenti. La stesura avviene tramite l’uso di uno stencil, cioè una maschera in acciaio inossidabile realizzata con la tecnica del taglio laser.

Posizionamento dei componenti: durante questa fase, la scheda viene inserita all’interno di una Pick & Place, cioè una macchina che preleva i componenti dalle bobine (caricatori a nastro per dispositivi SMD) e li posiziona sulla scheda. I componenti posizionati sulla scheda sono trattenuti nella loro posizione fino al prossimo step grazie alla tensione superficiale della pasta saldante.

Processo di saldatura: quando tutti i componenti sono posizionati sulla scheda, questa viene trasferita all’interno di un forno di rifusione adatto a processi di saldatura per componenti SMD. I forni per l’assemblaggio di PCB rappresentano un significativo rinnovamento rispetto alle saldature manuali in quanto, grazie ad essi, si ottiene una resa elevata dei circuiti e delle saldature compatte.

Dopo aver concluso il processo di saldatura, le schede vengono sottoposte ad una seconda ispezione ottica automatica (AOI). In questa fase le macchine automatiche provviste di telecamere sono in grado di ispezionare le schede per rilevare saldature scadenti, l’assenza dei componenti e in alcuni casi il componente sbagliato.

In base alla tecnologia da sviluppare, il processo di produzione potrebbe contenere altri step volti ad ottimizzare la resa, limitare la presenza dei difetti e produrre circuiti di altissima qualità.