Come determinare il numero di strati nei PCB

I circuiti stampati (PCB) sono costituiti da uno o più strati di materiali dielettrici e conduttivi. Una volta assemblati in schede, questi strati ospitano circuiti che alimentano un’ampia gamma di dispositivi elettronici domestici, come sveglie, elettrodomestici da cucina, accessori da scrivania, computer e dispositivi mobili.

I PCB sono utilizzati anche in una vasta gamma di strumenti e macchinari industriali, nonché in dispositivi medici, computer e sistemi di archiviazione governativi e apparecchiature aerospaziali. Il numero di strati e le dimensioni di una determinata scheda determinano la distribuzione di potenza di un PCB.

Che cosa sono i PCB multistrato?

Gli strati del PCB sono il fattore determinante per la potenza e la capacità di un circuito stampato. Spesso ci si chiede se un PCB a uno strato sia sufficiente o se sia meglio optare per un PCB a due o quattro strati - suggerimento:non esiste una PCB a tre strati, né qualcosa che rientri nell’ambito dei multistrato.

Sebbene il numero di strati dipenda in gran parte dal tuo budget e dalle esigenze funzionali in una scheda PCB, questo porta a una domanda: cosa sono esattamente i PCB multistrato? In pratica, “multistrato” si riferisce a qualsiasi cosa con più di due strati, come un PCB a 4 strati o qualcosa nell’intervallo da 6 a 12 strati e oltre.

5 domande per decidere il numero di strati nei PCB multistrato

Quando valuti quale sia il numero ideale di strati in un ordine di PCB, devi considerare i fattori che rendono una scheda multistrato preferibile a una a uno o due strati, e viceversa.

1. Come verrà utilizzata la mia scheda a circuito stampato?

Quando si calcolano le esigenze di un circuito stampato, occorre considerare i tipi di macchine e dispositivi in cui verranno utilizzati i PCB e le sollecitazioni che queste macchine/dispositivi eserciteranno sulla circuiteria della scheda. Questi PCB verranno utilizzati in apparecchiature elettroniche complesse e ad alta tecnologia o in dispositivi più semplici con funzioni minime?

2. Qual è la frequenza di funzionamento necessaria?

Quando prendi in considerazione queste domande, valuta di cosa avrai bisogno in termini di frequenza di funzionamento. I suoi parametri determinano le funzioni e la capacità di un PCB. Per una maggiore velocità e capacità operativa, i PCB multistrato sono essenziali.

3. Qual è il mio budget per il progetto?

Altre cose da considerare sono lecosti di produzione dei PCB a uno e due strati rispetto ai multistrato. Se desideri avere la massima capacità possibile con la tecnologia delle schede elettroniche odierna, dovrai sostenere gli elevati costi di produzione coinvolti.

4. Con quale urgenza ho bisogno dei PCB?

Tempo di consegna - iltempo necessario per produrre un set di PCBdi uno strato singolo rispetto a più strati - è anche qualcosa da considerare quando si ordina una grande spedizione di circuiti stampati. Il tempo di consegna per schede a uno o due strati può variare da 8 a 14 giorni, a seconda delle dimensioni dell’area della scheda. D’altra parte, se si è disposti a pagare di più o di meno, il tempo di consegna può essere breve fino a cinque giorni o lungo fino a un mese.

Il tempo di consegna aumenterà, per dimensione della scheda, con ogni strato che aggiungi all’ordine. I PCB con un numero di strati compreso tra quattro e venti potrebbero avere un tempo di consegna che va da 12 a 32 giorni, a seconda che tu voglia schede di dimensioni piccole o grandi.

5. Quali livelli di densità e di segnale sono necessari?

Il numero di strati del PCB dipende anche dalla densità dei pin e dagli strati di segnale. Come indicato nel grafico sottostante, una densità di pin pari a 1,0 richiederà 2 strati di segnale e il numero di strati necessari aumenta man mano che la densità dei pin diminuisce. Con una densità di pin pari a 0,2 o inferiore, avrai bisogno di PCB con almeno 10 strati.

PCB monostrato

Un PCB monostrato è costituito da un unico strato laminato e saldato di materiale dielettrico e conduttivo. In quanto componente precoce delle apparecchiature elettroniche, il PCB monostrato è in uso dalla fine degli anni ’50. Ancora oggi, nonostante il suo relativo primitivismo rispetto agli standard moderni dell’elettronica domestica, il PCB monostrato rimane comune in tutto il mondo.

La costruzione di un PCB monostrato è semplice, poiché è costituito da un unico dielettrico termicamente conduttivo che viene prima ricoperto con un laminato di rame e infine con una soldermask. Le illustrazioni del PCB monostrato in genere mostrano tre strisce di colore per rappresentare lo strato e i suoi due rivestimenti: grigio per lo strato dielettrico stesso, marrone per il laminato di rame e verde per la soldermask.

Grazie al loro design semplice, i PCB monostrato sono facili da produrre in grandi quantità e sono quindi i più economici tra tutti i circuiti stampati. Sebbene, secondo gli standard contemporanei, lo strato singolo rappresenti un componente tecnologicamente limitato, esso offre comunque ai produttori i seguenti vantaggi:
• Un design semplice che la maggior parte dei produttori può facilmente comprendere
• Semplice e quindi improbabile che causi problemi di produzione
• Conveniente ed economico per la produzione in grandi quantità

Oggi, i PCB monostrato sono prodotti con uno spessore del laminato di rame che va da uno a 20 once. I PCB monostrato sono progettati per funzionare in un intervallo di temperatura compreso tra 130 e 230 gradi Celsius.

Nei decenni precedenti, i PCB monostrato venivano utilizzati nella maggior parte dei dispositivi elettrici. Oggi, la maggior parte dell’elettronica domestica high-tech è passata ai PCB multistrato, che sono ottimizzati per una gamma di esigenze più complesse. Tuttavia, il PCB monostrato è ancora comune in alcuni dei dispositivi più semplici presenti in salotti, cucine e uffici, tra cui:
•Calcolatrici- Alcune delle calcolatrici più semplici funzionano con PCB a singolo strato.
•Radio- Alcune radio, come le radiosveglie a basso prezzo dei negozi generici, spesso utilizzano PCB monostrato.
•Macchine da caffè- Gli elettrodomestici per la preparazione del caffè spesso utilizzano PCB monostrato.

Il PCB monostrato è inoltre comune in sensori, luci LED, stampanti, telecamere di sorveglianza e circuiti di temporizzazione.

PCB a doppio strato

Il PCB a due strati rappresenta il passo successivo nella tecnologia dei circuiti stampati. Grazie alla sua maggiore capacità, il PCB a due strati – chiamato anche PCB a doppio strato – può supportare una gamma più ampia di dispositivi elettronici contemporanei rispetto al PCB a uno strato. Allo stesso tempo, i PCB a due strati sono molto meno complessi dal punto di vista produttivo rispetto ai vari circuiti stampati multistrato presenti oggi sul mercato. Per questo motivo, il PCB a due strati è l’opzione più utilizzata.

Un PCB a due strati è molto simile a un PCB a uno strato, ma con una metà inferiore invertita a immagine speculare. Nel PCB a due strati, lo strato dielettrico è più spesso rispetto a quello a singolo strato. Inoltre, il dielettrico è laminato con rame sia sul lato superiore che su quello inferiore. Inoltre, la laminazione è ricoperta di soldermask sia sulla parte superiore che su quella inferiore.

Le illustrazioni del PCB a due strati in genere assomigliano a un sandwich a tre strati, con uno spesso strato grigio al centro che rappresenta il dielettrico, due strisce marroni sopra e sotto che rappresentano il rame e sottili strisce verdi lungo la parte superiore e inferiore che rappresentano la soldermask.

Grazie ai suoi lati superiore e inferiore uguali, il PCB a due strati consente un maggior numero di piste di instradamento. I vantaggi del PCB a due strati includono i seguenti:
• Una flessibilità di progettazione che lo rende adatto a un'ampia gamma di dispositivi
• Circuiteria densa che la rende adatta a una gamma di applicazioni moderne
• Costruzione a basso costo, che la rende adatta alla produzione di massa
• Design semplice, che lo rende più facile da comprendere per i produttori di tutto il mondo
• Dimensioni ridotte, che gli permettono di adattarsi a una varietà di dispositivi

I PCB a due strati sono applicabili a una vasta gamma di dispositivi elettronici semplici e più complessi. Esempi di dispositivi prodotti in massa che hanno contenuto PCB a due strati includono i seguenti:
•unità HVAC- I sistemi residenziali di riscaldamento e raffreddamento di vari marchi hanno contenuto circuiti stampati a doppio strato.
•Amplificatori- Il PCB a due strati è dotato delle unità di amplificazione utilizzate da numerosi musicisti.
•Stampanti- Una varietà di periferiche per computer si basa su PCB a due strati.

Il PCB a due strati è stato utilizzato anche in relè di controllo, alimentatori, illuminazione a LED, reattori di linea, apparecchiature di collaudo e distributori automatici.

PCB a quattro strati

Una scheda a quattro strati è composta da un insieme di strati più complesso rispetto al PCB a uno o due strati. Mentre sia il PCB a singolo strato che quello a doppio strato contengono una singola fila di materiale dielettrico, il PCB a quattro strati ne contiene diverse. Come per tutte le schede a circuito stampato multilivello, il PCB a quattro strati include diversi strati di materiale conduttivo e rame tra le soldermask superiore e inferiore.

Lo stackup del PCB a quattro strati è composto dai seguenti strati:
• Quattro strisce di rame conduttivo
• Tre strati dielettrici interni: due prepreg e uno core
• Doppio strato di soldermask dielettrica sulla parte superiore e inferiore

Nel design di PCB a 4 strati, le 4 piste di rame sono separate internamente da 3 dielettrici interni e sigillate nella parte superiore e inferiore dalla soldermask. In generale, le regole di progettazione dei PCB a 4 strati sono illustrate con 9 strati e 3 colori: marrone per il rame, grigio per il core e i prepreg e verde per la soldermask.

Anche se le illustrazioni comuni della progettazione di PCB a quattro strati sembrerebbero indicare che gli strati di pre-preg e di core siano costituiti dallo stesso materiale, il primo non è completamente polimerizzato ed è quindi più morbido del core. Durante il processo di produzione, calore e pressione vengono applicati all’impilamento a quattro strati, causando la fusione del pre-preg e del core e l’adesione degli strati tra loro.

I PCB a quattro strati offrono numerosi vantaggi ai produttori, poiché questi e altri circuiti stampati multistrato garantiscono i seguenti benefici:
•Durabilità- Il PCB a quattro strati è più robusto rispetto alle schede a uno o due strati.
•Dimensioni compatte- Il piccolo design del PCB a quattro strati può adattarsi a una vasta gamma di dispositivi.
•Flessibilità- Il PCB a quattro strati può essere utilizzato in numerosi tipi di dispositivi elettronici, sia semplici che complessi.
•Sicuro- Con un corretto allineamento dei piani di alimentazione e di massa, il PCB a quattro strati protegge dalle interferenze elettromagnetiche.
•Leggero- I dispositivi dotati di PCB a quattro strati richiedono meno cablaggio interno e quindi spesso pesano di meno.

Sebbene la produzione di schede multistrato richieda una maggiore competenza, qualsiasi costo aggiuntivo di un PCB a quattro strati viene recuperato dieci volte grazie ai prodotti di maggior valore che la scheda a quattro strati può supportare meccanicamente. Alcuni dei dispositivi moderni più essenziali che includono PCB a quattro strati sono i seguenti:
•Sistemi satellitari- I PCB multilivello hanno equipaggiato i satelliti in orbita che hanno reso possibile la comunicazione su scala globale.
•Dispositivi portatili- I telefoni e i tablet sono spesso dotati di PCB a quattro strati.
•Attrezzatura per sonde spaziali- I circuiti stampati multistrato hanno alimentato i dispositivi di esplorazione spaziale che ci hanno permesso di vedere lontano nella galassia.

I PCB a quattro strati sono inoltre comuni nelle apparecchiature a raggi X, nei file server, negli acceleratori atomici, nella tecnologia delle TAC e nei sistemi di rilevamento nucleare. Ancora più dei PCB a uno o due strati, i circuiti stampati a quattro strati possono essere utili anche in processi in cui il diafonia rappresenta un problema.

PCB a sei strati

Il PCB a sei strati è il punto in cui la tecnologia dei circuiti stampati inizia davvero a entrare negli aspetti più avanzati dell’elettronica odierna. Con il PCB a sei strati, i produttori possono alimentare una gamma di prodotti tecnologici commerciali, dispositivi sanitari e macchinari industriali.

La struttura a sei strati del PCB è simile a quella a quattro strati, ma con due strati di rame aggiuntivi e due file supplementari di materiale dielettrico. Nella struttura a sei strati, la seconda e la quarta fila dielettrica sono indicate come "core", mentre la prima, la terza e la quinta sono prepreg. Delle sei file conduttive di rame, la seconda e la quinta sono piani e le restanti sono di segnale.

Dalla loro introduzione, i PCB a 6 strati sono stati una benedizione per l’industria elettronica. Grazie alla loro vasta superiorità tecnologica rispetto alle schede a uno o due strati, hanno permesso ai produttori di portare al pubblico un’ampia gamma di dispositivi innovativi. Alcuni dei principali vantaggi dei PCB a sei strati includono:
•Forza- Il PCB a sei strati è più spesso e quindi più robusto rispetto ai suoi predecessori con un numero inferiore di strati.
•Compattezza- Con sei strati, le schede di questo spessore hanno una maggiore capacità tecnologica e possono quindi occupare meno larghezza.
•Alta capacità- I PCB con sei o più strati forniscono ai dispositivi elettronici una potenza ottimale e riducono notevolmente la possibilità di diafonia e di interferenze elettromagnetiche.

Le schede a circuito stampato multilivello con sei o più strati hanno permesso alla tecnologia informatica di progredire a passi da gigante negli ultimi due decenni. I PCB di questo livello hanno fatto progredire le seguenti apparecchiature elettroniche:
•Computer- I PCB a 6 strati hanno contribuito ad alimentare la rapida evoluzione dei personal computer, che sono diventati più compatti, leggeri e veloci.
•Archiviazione dei dati- L'elevata capacità dei PCB a sei strati ha reso i dispositivi di archiviazione dati sempre più versatili nell'ultimo decennio.
•Sistemi di allarme antincendio- Con circuiti stampati a 6 strati o più, i sistemi di allarme sono diventati ancora più precisi nel rilevare il vero pericolo nel momento stesso in cui si presenta.

Le PCB a sei strati sono stati utilizzati anche nella trasmissione dei telefoni cellulari, nei ricevitori in fibra ottica, nei monitor cardiaci, nei controlli industriali e nella tecnologia GPS.

PCB multistrato complessi

Man mano che il numero di strati dei circuiti stampati multistrato supera quattro e sei, ulteriori strati di rame conduttivo e di materiale dielettrico vengono aggiunti allo stackup.

Ad esempio, un PCB a otto strati contiene quattro piani e quattro strati di rame di segnale – otto in totale – uniti da sette file interne di materiale dielettrico. Lo stackup a otto strati è sigillato nella parte superiore e inferiore con una soldermask dielettrica. In sostanza, lo stackup PCB a otto strati è molto simile a quello a sei strati, ma con coppie aggiuntive di colonne di rame e prepreg.

La tendenza continua con il PCB a 10 strati, che aggiunge altri due strati di rame per un totale di sei strati di segnale e quattro strati di piano in rame, 10 in tutto. A unire il rame nello stackup del PCB a 10 strati ci sono nove colonne di materiale dielettrico: cinque prepreg e quattro core. Gli stack di PCB a dieci strati sono sigillati, come tutti gli altri, con soldermask dielettrico sulla parte superiore e inferiore.

Quando arrivi allo stackup PCB a 12 strati, hai una scheda con 4 piani e 8 strati conduttivi di segnale, uniti da 6 colonne di preimpregnato e 5 colonne di materiale dielettrico di core. Gli stack PCB a 12 strati sono sigillati con soldermask dielettrico. In generale, le illustrazioni dei PCB multistrato rappresentano gli strati e i materiali di incollaggio con i seguenti colori: marrone per il rame di segnale/piano, grigio per il materiale dielettrico di prepreg/core e verde per la soldermask superiore/inferiore.

I PCB multistrato a otto, 10 e 12 strati sono utili in numerosi dispositivi high-tech e sistemi informatici. Negli ultimi decenni, lo sviluppo dei circuiti stampati multistrato ha portato al rapido avanzamento della tecnologia informatica, dai sistemi in kHz di un tempo alle macchine in GHz di oggi.

Macchine e dispositivi in una vasta gamma di settori – commerciale, industriale, medico, governativo, aerospaziale – continuano a crescere in velocità, capacità, compattezza e facilità d’uso, grazie ai rapidi sviluppi resi possibili dai complessi PCB multistrato odierni.

Distribuzioni dei livelli

Il modo più semplice per pensare a un circuito stampato è immaginare gli strati come una lasagna in cui materiali conduttivi e dielettrici si uniscono all’interno di una soldermask. Le schede a quattro strati, ad esempio, di solito sono costituite da strati equidistanti con piani al centro. Sebbene questo possa rendere la scheda apparentemente simmetrica, non produce necessariamente gli effetti più desiderabili in termini di compatibilità elettromagnetica.

Un’altra configurazione che può produrre effetti indesiderati consiste nell’accoppiare strettamente i due piani al centro, mentre lo strato di segnale e i piani racchiudono dielettrici di grande spessore. Sebbene questa disposizione consenta l’immagazzinamento di carica elettrica tra i piani, può causare una trasmissione del segnale indesiderata e effetti elettromagnetici. Per questi motivi, gli esperti odierni nel campo dei PCB scelgono generalmente schede di almeno quattro strati, invece che a due strati.

Per migliorare la compatibilità elettromagnetica di una scheda a quattro strati, i piani e gli strati di segnale dovrebbero essere ravvicinati il più possibile. Inoltre, il core tra il piano di massa e l’alimentazione dovrebbe essere spesso. Questa disposizione ridurrà la possibilità di trasmissioni indesiderate di segnali tra le tracce e manterrà l’opposizione tra circuiti e correnti a livelli accettabili.

Un intervallo ideale di opposizione tra circuito e corrente sarebbe nell’ordine di 50–60 ohm. Ricorda che, quando l’impedenza è bassa, la corrente assorbita aumenta bruscamente, il che è un effetto indesiderato. Un’elevata impedenza genererà maggiori quantità di interferenze elettromagnetiche e renderà la scheda più vulnerabile a interferenze esterne.

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Risorse utili
•Introduzione alle schede a circuito stampato
•PCB monostrato vs. multistrato
•Necessità e vantaggi dei PCB multistrato
•Impilamento degli strati PCB, progettazione dello stackup PCB | PCBCart
•Processo di produzione dei PCB — Guida passo dopo passo
•Materiale della scheda PCB, Tipo di materiale PCB