Nel campo in continua evoluzione dell'elettronica, la necessità di dispositivi ad alte prestazioni con funzionalità estese è in aumento. La necessità della tecnologia dei circuiti stampati (PCB) ha portato a notevoli progressi, in particolare nel campo delle applicazioni ad alta frequenza. L'utilizzo della progettazione PCB multistrato è diventata una soluzione cruciale per soddisfare le rigorose esigenze di queste applicazioni.

L'avvento dei PCB multistrato

Storicamente, i circuiti stampati erano caratterizzati principalmente dalla loro struttura a strato singolo o doppio, che imponeva vincoli sulla loro idoneità per applicazioni ad alta frequenza a causa del deterioramento del segnale e delle interferenze elettromagnetiche (EMI). Tuttavia, l'introduzione di circuiti stampati multistrato ha portato a notevoli progressi nell'integrità del segnale, nella mitigazione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) e nelle prestazioni generali.
I circuiti stampati multistrato (PCB) si distinguono dalle loro controparti a singolo o doppio strato per la presenza di tre o più strati conduttivi separati da materiale isolante, comunemente noto come strati dielettrici. L'interconnessione di questi strati è facilitata dai vias, che sono minuscoli passaggi conduttivi che facilitano la comunicazione tra strati distinti. Il complicato design dei PCB multistrato consente una maggiore concentrazione di componenti e circuiti complessi, rendendoli essenziali per una tecnologia all'avanguardia.
I PCB multistrato presentano tipicamente un elevato grado di rigidità a causa della sfida intrinseca di ottenere più strati all'interno di una struttura PCB flessibile. Le connessioni elettriche tra gli strati vengono stabilite attraverso l'utilizzo di diversi tipi di vie, comprese le vie cieche e interrate.
La configurazione prevede il posizionamento di due strati sulla superficie per stabilire una connessione tra il circuito stampato (PCB) e l'ambiente esterno. In generale, la densità degli strati nei circuiti stampati (PCB) è uniforme. Ciò è dovuto principalmente alla suscettibilità dei numeri dispari a problemi come la deformazione.
Il numero di strati varia tipicamente a seconda dell'applicazione specifica, rientrando generalmente nell'intervallo da quattro a dodici strati.
Tipicamente, la maggior parte delle applicazioni richiede un minimo di quattro e un massimo di otto strati. Al contrario, le app come gli smartphone utilizzano prevalentemente un totale di dodici livelli.

Principali applicazioni

I PCB multistrato sono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni elettroniche, tra cui:
●Elettronica di consumo, dove i PCB multistrato svolgono un ruolo fondamentale fornendo la potenza e i segnali necessari per un'ampia gamma di prodotti come smartphone, tablet, console di gioco e dispositivi indossabili. I componenti elettronici eleganti e portatili da cui dipendiamo quotidianamente sono attribuiti al loro design compatto e all'elevata densità dei componenti
●Nel campo delle telecomunicazioni, l'utilizzo di PCB multistrato facilita la trasmissione fluida di segnali voce, dati e video attraverso le reti, garantendo così una comunicazione affidabile ed efficace
●I sistemi di controllo industriale dipendono fortemente dai circuiti stampati multistrato (PCB) per la loro capacità di gestire in modo efficace sistemi di controllo complessi, meccanismi di monitoraggio e procedure di automazione. I pannelli di controllo delle macchine, la robotica e l'automazione industriale si affidano a loro come sistema di supporto fondamentale
●I PCB multistrato sono importanti anche per i dispositivi medici, poiché sono fondamentali per garantire precisione, affidabilità e compattezza. Le apparecchiature diagnostiche, i sistemi di monitoraggio dei pazienti e i dispositivi medici salvavita sono significativamente influenzati dal loro importante ruolo.

Benefici e vantaggi

I PCB multistrato offrono numerosi vantaggi e vantaggi nelle applicazioni ad alta frequenza, tra cui:
●Integrità del segnale migliorata: i PCB multistrato facilitano il routing dell'impedenza controllata, riducendo al minimo la distorsione del segnale e garantendo una trasmissione affidabile dei segnali ad alta frequenza. La minore interferenza del segnale dei circuiti stampati multistrato si traduce in prestazioni, velocità e affidabilità migliorate
● EMI ridotte: utilizzando piani di terra e di alimentazione dedicati, i PCB multistrato sopprimono efficacemente le EMI, migliorando così l'affidabilità del sistema e riducendo al minimo le interferenze con i circuiti vicini
●Design compatto: grazie alla capacità di ospitare più componenti e schemi di instradamento complessi, i PCB multistrato consentono design compatti, cruciali per applicazioni con vincoli di spazio come dispositivi mobili e sistemi aerospaziali.
●Gestione termica migliorata: i PCB multistrato offrono un'efficiente dissipazione del calore attraverso l'integrazione di vie termiche e strati di rame posizionati strategicamente, migliorando l'affidabilità e la durata dei componenti ad alta potenza.
●Flessibilità di progettazione: la versatilità dei PCB multistrato consente una maggiore flessibilità di progettazione, consentendo agli ingegneri di ottimizzare parametri prestazionali quali adattamento di impedenza, ritardo di propagazione del segnale e distribuzione di potenza.

Svantaggi

Uno dei principali svantaggi associati ai circuiti stampati multistrato è il loro costo più elevato rispetto ai PCB a strato singolo e doppio in tutte le fasi del processo di produzione. Il costo più elevato è principalmente associato alle attrezzature specializzate necessarie per la loro produzione.
Anche la produzione è più complessa, poiché la produzione di PCB multistrato richiede un periodo di progettazione notevolmente più lungo e metodi di produzione meticolosi rispetto ad altri tipi di PCB. Complessità di produzione: la fabbricazione di PCB multistrato richiede processi di produzione sofisticati, tra cui l'allineamento preciso degli strati, l'instradamento controllato dell'impedenza e rigorose misure di controllo della qualità, con conseguente aumento dei costi di produzione e tempi di consegna più lunghi.
I PCB multistrato richiedono una pre-progettazione approfondita e, pertanto, sono necessari ingegneri esperti per il loro sviluppo. La produzione di ciascuna tavola richiede una notevole quantità di tempo, con conseguenti maggiori spese di manodopera. Inoltre, potrebbero verificarsi intervalli di tempo prolungati tra l'effettuazione di un ordine e la ricezione del prodotto, il che in alcune situazioni può rappresentare una sfida.
Tuttavia, queste preoccupazioni non compromettono l’efficacia dei circuiti stampati multistrato (PCB). Sebbene i PCB multistrato siano spesso più costosi dei PCB a strato singolo, offrono numerosi vantaggi rispetto a questa particolare forma di circuito stampato.
Poiché i dispositivi elettronici continuano a ridursi nelle dimensioni e ad aumentare la densità di potenza, una gestione termica efficace diventa fondamentale nei PCB multistrato, rendendo necessarie soluzioni innovative per mitigare i punti caldi termici e garantire prestazioni ottimali. Inoltre, la convalida delle prestazioni dei progetti PCB multistrato richiede metodologie di test complete, tra cui simulazione, prototipazione e test di conformità, per garantire la conformità agli standard e alle specifiche del settore.

Suggerimenti per la progettazione di PCB multistrato

Quando si crea un circuito stampato multistrato (PCB) per applicazioni ad alta frequenza, di solito sono utili diversi suggerimenti utili.
Per mitigare i problemi nella progettazione di PCB multistrato, l'area di enfasi principale ruota solitamente attorno allo stackup. Quando si esprimono giudizi sull'impilamento dei livelli, è importante tenere conto di fattori quali funzionalità, produzione e distribuzione.
Inizia ottimizzando le dimensioni del tabellone, poiché ciò influenzerà le decisioni riguardanti altre caratteristiche. Quando si determina la dimensione ideale della tavola, tenere conto dei seguenti fattori:
●Il numero di componenti da alloggiare sulla scheda
●La dimensione di questi componenti
●Dove verrà installata la scheda
●Le tolleranze del partner di produzione in termini di spaziatura, distanze e fori
Una volta deciso il numero di strati, si procederà alla selezione delle vie, siano esse cieche, passanti, interrate o via in pad. Questo aspetto influisce sulla complessità della produzione e quindi sulla qualità del PCB.
Nella sezione di progettazione PCB multistrato, il software di progettazione PCB è una parte essenziale del processo di progettazione. Aiuta i progettisti a generare la struttura della connessione meccanica e di cablaggio del PCB dalla netlist, a posizionare questa struttura di connessione su multistrato e a generare file di progettazione assistita da computer. Questo CAD è essenziale nella produzione del PCB. Esistono diverse opzioni software di progettazione PCB che puoi utilizzare per progettare il tuo PCB multistrato. Tuttavia, alcuni sono utilizzati più ampiamente di altri, soprattutto a causa della loro interfaccia più semplice, tra le altre ragioni.
Verrà preso in considerazione anche il DFM, il cui obiettivo è creare parti e componenti del prodotto che facilitino la produzione. L'obiettivo è ottenere prodotti di alta qualità a costi ridotti. Di conseguenza, comporta la razionalizzazione, il miglioramento e il perfezionamento del design del prodotto. Il DFM deve essere condotto in modo tempestivo prima di iniziare l'attrezzaggio. È fondamentale coinvolgere tutte le parti interessate nel DFM. Il coinvolgimento di diverse parti interessate, tra cui progettisti, ingegneri, produttori a contratto, fornitori di materiali e costruttori di stampi, è fondamentale. In questo modo è possibile mitigare eventuali problemi di progettazione.

Producibilità

La produzione di PCB multistrato per applicazioni ad alta frequenza prevede diversi passaggi chiave:
●Progettazione e layout: gli ingegneri utilizzano software di progettazione PCB specializzato per creare il layout, considerando fattori quali l'integrità del segnale, la gestione termica e la mitigazione delle EMI.
●Selezione dei materiali: vengono scelti materiali di alta qualità con costante dielettrica e tangente di perdita basse per ridurre al minimo la perdita di segnale e mantenere le prestazioni ad alta frequenza.
●Pianificazione dello stackup dei livelli: lo stackup dei livelli viene pianificato attentamente per ottimizzare l'instradamento del segnale, l'adattamento dell'impedenza e la dissipazione termica, considerando fattori quali la frequenza del segnale, lo spessore della scheda e lo spessore del rame.
●Fabbricazione e assemblaggio: tecniche di fabbricazione avanzate come la perforazione laser, la laminazione sequenziale e l'incisione a impedenza controllata vengono impiegate per produrre PCB multistrato con precisione e affidabilità.
●Test e garanzia di qualità: vengono condotte procedure di test rigorose, tra cui analisi dell'integrità del segnale, misurazioni dell'impedenza, imaging termico e test EMI, per garantire prestazioni, affidabilità e conformità dei PCB multistrato con gli standard e le specifiche del settore.

Conclusione

L'evoluzione del design PCB multistrato ha rivoluzionato il campo dell'elettronica ad alta frequenza, consentendo lo sviluppo di dispositivi sofisticati con prestazioni, affidabilità e funzionalità migliorate. Nonostante le sfide legate all’integrità del segnale, alla complessità della produzione e alla gestione termica, i vantaggi dei PCB multistrato superano di gran lunga le sfide, rendendoli indispensabili in un’ampia gamma di applicazioni ad alta frequenza, tra cui telecomunicazioni, aerospaziale, automobilistico ed elettronica medica. Con i continui progressi nei materiali, nelle tecniche di fabbricazione e nelle metodologie di progettazione, i PCB multistrato sono pronti a continuare a guidare l'innovazione nell'elettronica ad alta frequenza negli anni a venire.