I progettisti di elettronica, professionisti e appassionati, possono ottenere circuiti stampati (PCB) personalizzati di alta qualità entro una settimana dall'ordine, in alcuni casi anche più rapidamente. Questi PCB sono disponibili a prezzi talmente bassi che ci si potrebbe chiedere come sia possibile produrli. I prezzi sono in gran parte dovuti all'implementazione del concetto di fabbrica intelligente fortemente automatizzata nella produzione, a partire dallo stesso processo di ordinazione.
Una volta progettato il circuito stampato mediante un software di automazione della progettazione elettronica (EDA), come ad esempio KiCad, Eagle o Altium, il processo di produzione PCB automatizzato continua presso il produttore di circuiti stampati, anche detto "fab". Si traccia virtualmente una serie di istruzioni standard, in genere in file Gerber in formato RS-274X o RS-274X2, insieme ai file di foratura. I file vengono quindi caricati presso il produttore PCB scelto. Molti fornitori, come OSHPark e PCBWay, forniscono un preventivo istantaneo che è possibile utilizzare per ordinare la scheda.
Solitamente, i produttori controllano le schede caricate per accertare l'assenza di violazioni delle loro regole di progettazione, per poter realizzare correttamente il PCB. Questo comporta una notevole automazione, ma potrebbe comunque essere necessario un intervento umano o attività successive. Una volta terminati i controlli e le comunicazioni, più schede dei clienti vengono combinate in un unico pannello per il taglio. In genere, questi pannelli sono tagliati in dimensioni standard per il processo di produzione, con strati esterni in rame e un substrato interno in FR4 (fibra di vetro) per garantire resistenza e isolamento.
Elementi del processo di produzione PCB automatizzato
Pur non essendo questa la sede per descrivere in dettaglio la complessità dei processi dei produttori PCB, possiamo suddividere il processo di produzione PCB automatizzato in vari elementi primari. Per semplicità, prenderemo in considerazione la produzione di schede a due strati, ma è possibile utilizzare molti più strati, a seconda delle necessità, tramite un processo di impilamento e incollaggio. Inoltre, anche se questo processo di produzione intelligente comporta una massiccia automazione, l'intervento umano è comunque necessario per attività quali trasporto dei prodotti in lavorazione, configurazione dei macchinari e controlli finali.
1. Foratura per vie e fori passanti
In genere la prima fase del processo di fabbricazione PCB, dopo le operazioni di pulizia e sbavatura, è la foratura per vie e componenti a foro passante. Questa viene eseguita in una macchina perforatrice che può creare fori con diametro fino a 100 micron, inferiore a quello di un capello umano, pari a circa 150 micron. La sostituzione delle punte con diametri diversi viene eseguita automaticamente.
2. Tracciatura e fotoresist
Per dare forma alle tracce del circuito stampato e alle aree di riempimento in rame, su un foglio trasparente viene stampata un'immagine negativa del rame finito, in base alle informazioni Gerber fornite. Il pannello viene rivestito su entrambi i lati con uno strato di pellicola fotosensibile, noto come fotoresist. Il foglio stampato viene allineato alla parte superiore e inferiore del pannello e le lampade UV induriscono il fotoresist nelle aree della pellicola prive dell'immagine stampata. Una ulteriore lavorazione lava via il fotoresist non indurito, insieme al rame sottostante.
A questo punto, la scheda fa ancora parte di un intero pannello, che può contenere vari disegni. La pulizia viene eseguita in diversi momenti durante l'intera operazione di produzione PCB e progressivamente vengono eseguite varie ispezioni, inclusi i processi ottici, per correggere eventuali errori il prima possibile.
3. Placcatura e processi chimici
Tramite elettroplaccatura viene aggiunto altro rame sui circuiti stampati, creando un canale conduttivo per le vie e le connessioni a foro passante e rinforzando la lamina originale. È possibile specificare diversi spessori della placcatura in rame e l'intero processo viene attentamente controllato per soddisfare le esigenze del cliente.
4. Solder mask, serigrafia e HASL
La solder mask, che protegge le tracce in rame, è una lacca che viene applicata come liquido su entrambi i lati del circuito stampato. Dopo l'applicazione, le schede vengono cotte fino al semi-indurimento e quindi viene applicato un foglio stampato trasparente su entrambi i lati. La solder mask esposta viene indurita con un processo UV e quella non esposta viene rimossa, analogamente al processo descritto sopra per il fotoresist.
Una stampante a getto d'inchiostro applica quindi uno strato visibile noto come serigrafia, utilizzato per l'identificazione dei componenti e altre marcature. Infine, viene in genere eseguito un processo di finitura, ad esempio il livellamento per saldatura ad aria calda (HASL), per proteggere dall'ossidazione le piazzole di saldatura esposte. A questo punto è possibile eseguire un controllo tramite sonda mobile per garantire che il PCB conduca e resista alla corrente come previsto.
5. Profilatura e instradamento
Dopo aver disposto ciascun PCB su un pannello adeguatamente elaborato e controllato, un'operazione di instradamento controllata tramite computer taglia il profilo e le feature interne a foro non passante della scheda. Questi bordi e feature non devono essere necessariamente rettilinei. Prima di questo processo è anche possibile lavorare i pannelli con delle linee di intaglio (V-scoring), che devono procedere in linea retta e consentono ai clienti di separare i moduli una volta ricevuti.
6. Finitura, imballaggio e spedizione
Dopo la pulizia finale, un'ulteriore lavorazione per rimuovere gli artefatti dell'instradamento e l'ispezione, i PCB sono pronti per l'imballaggio e la spedizione al cliente. Arrivare a questo punto richiede un processo straordinario.
PCB: ottimizzazione dei processi e della realizzazione
Per quanto impressionante, il processo descritto finora è una semplificazione e le operazioni variano a seconda dei produttori e persino dei prodotti. Oltre all'automazione, dobbiamo considerare l'arbitraggio geografico, le questioni geopolitiche, la spedizione e una serie di altri fattori per avere un quadro completo delle possibilità di produzione di circuiti stampati in tempi rapidi a un prezzo accessibile.
È anche vero che le schede a circuito stampato sono ampiamente diffuse da diversi decenni e questo ha dato al processo di produzione il tempo di maturare. I miglioramenti incrementali, apportati anno dopo anno, spesso portano a risultati incredibili. Pensaci la prossima volta che ordini dei PCB di alta qualità a un prezzo basso e con consegna rapida. Per quanto riguarda i componenti di alta qualità da inserire sui PCB, Arrow ha un vasto inventario pronto per la spedizione.
