Le schede a circuito stampato (PCB) sono il nucleo della maggior parte dei dispositivi elettronici odierni e ne determinano le funzioni di base attraverso combinazioni di componenti e meccanismi di cablaggio. La maggior parte delle PCB del passato era relativamente semplice ed era limitata dalle tecniche di produzione, mentre le PCB di oggi sono molto più complesse. Dalle avanzate opzioni flessibili alle varianti di forme particolari, le PCB sono molto più diversificate nel mondo dell’elettronica odierno. Di particolare popolarità, tuttavia, sono le PCB multistrato.
Mentre i PCB per dispositivi elettronici semplici con funzioni limitate sono solitamente composti da un singolo strato, i dispositivi elettronici più sofisticati, come le schede madri dei computer, sono costituiti da più strati. Questi sono quelli che vengono chiamati PCB multistrato. Con l’aumentare della complessità dell’elettronica moderna, questi PCB multistrato sono diventati più diffusi che mai, mentre le tecniche di produzione hanno permesso di ridurne significativamente le dimensioni.
Continua a leggere per saperne di più sui PCB multistrato, sui loro usi e sui vantaggi nel mondo dell’elettronica moderna.
Che cos'è un PCB multistrato?
La definizione di PCB multistrato è un PCB realizzato con tre o più strati conduttivi in lamina di rame. Questi appaiono come diversi strati di circuiti stampati a doppia faccia, laminati e incollati insieme con strati di isolamento termoprotettivo tra di essi. L’intera struttura è organizzata in modo che due strati siano posizionati sui lati superficiali del PCB per connettersi con l’ambiente. Tutte le connessioni elettriche tra gli strati sono realizzate con vias comefori metallizzati passanti, vias ciechi e interratiL'applicazione di questo metodo porta quindi alla generazione di PCB altamente complessi di varie dimensioni.
Il PCB multistrato è nato a seguito dei continui cambiamenti nell’industria elettronica. Le funzioni dei dispositivi elettronici sono diventate progressivamente più sofisticate nel tempo, richiedendo PCB sempre più complessi. Purtroppo, i PCB erano limitati da problemi come rumore, capacità parassita e diafonia e, di conseguenza, dovevano rispettare determinati vincoli di progettazione. Queste considerazioni di progettazione rendevano difficile ottenere un livello di prestazioni soddisfacente da un PCB a singola o persino a doppia faccia: così nacque il PCB multistrato.
Racchiudendo la potenza di un PCB a doppio strato in un formato che è solo una frazione delle sue dimensioni, i PCB multistrato stanno diventando sempre più popolari nell’elettronica. Sono disponibili in un’ampia gamma di dimensioni e spessori per soddisfare le esigenze delle loro applicazioni in continua espansione, con varianti che vanno da quattro a dodici strati. Gli strati sono per lo più in numero pari, poiché numeri dispari di strati possono causare problemi nel circuito, come deformazioni, e non sono più economici da produrre.La maggior parte delle applicazioni richiede tra quattro e otto livelli, anche se applicazioni come dispositivi mobili e smartphone tendono a utilizzare circa dodici strati, e alcuni produttori professionali di PCB vantano la capacità di realizzare PCB multistrato con quasi 100 strati. Tuttavia, i PCB multistrato con così tanti strati sono rari da vedere, poiché sono estremamente antieconomici.
Sebbene tendano a essere più costosi e richiedano più manodopera per la produzione, i PCB multistrato stanno diventando una parte essenziale della tecnologia moderna. Ciò è dovuto principalmente alla serie di vantaggi che offrono, in particolare rispetto alle varianti a uno o due strati.
Vantaggi dei PCB multistrato
Da un punto di vista tecnico, i PCB multistrato presentano diversi vantaggi in fase di progettazione. I benefici offerti dai PCB multistrato includono:
• Piccola dimensioneUno dei vantaggi più evidenti e apprezzati dell’uso dei PCB multistrato risiede nelle loro dimensioni. Grazie al loro design a strati, i PCB multistrato sono intrinsecamente più piccoli rispetto ad altri PCB con funzionalità simili. Ciò rappresenta un grande vantaggio per l’elettronica moderna, poiché l’attuale tendenza punta verso dispositivi più piccoli, compatti ma al contempo più potenti, come smartphone, laptop, tablet e dispositivi indossabili.
• Struttura leggeraCon PCB più piccoli si riduce il peso, soprattutto perché i molteplici connettori necessari per collegare tra loro PCB separati a uno o due strati vengono eliminati a favore di un design multistrato. Anche questo è vantaggioso per l’elettronica moderna, che è sempre più orientata alla mobilità.
• Alta qualità: A causa della quantità di lavoro e di pianificazione necessari per la realizzazione di PCB multistrato, questi tipi di PCB tendono a essere di qualità superiore rispetto ai PCB a uno o due strati. Di conseguenza, tendono anche a essere più affidabili.
• Maggiore durataI PCB multistrato tendono a essere durevoli per loro natura. Questi PCB multistrato non solo devono sopportare il proprio peso, ma devono anche essere in grado di resistere al calore e alla pressione utilizzati per unirli. Oltre a questi fattori, i PCB multistrato utilizzano più strati di isolamento tra gli strati del circuito, legando il tutto con un agente legante prepreg e materiali protettivi.
• Maggiore flessibilitàSebbene ciò non si applichi a tutti gli assiemi di PCB multistrato, alcuni utilizzano tecniche di costruzione flessibili, dando come risultato un PCB multistrato flessibile. Questa può essere una caratteristica altamente desiderabile per applicazioni in cui possono verificarsi piegature e flessioni lievi su base semi-regolare. Ancora una volta, questo non si applica a tutti i PCB multistrato e, più strati vengono incorporati in un PCB flessibile, meno flessibile diventa il PCB.
• Più potente: I PCB multistrato sono assiemi ad altissima densità, che incorporano più strati in un unico PCB. Questi spazi ridotti consentono alle schede di essere più connettive e le loro proprietà elettriche innate permettono di ottenere una maggiore capacità e velocità nonostante le dimensioni più ridotte.
• Punto di connessione singoloI PCB multistrato sono progettati per funzionare come un’unità singola, piuttosto che in tandem con altri componenti PCB. Di conseguenza, hanno un unico punto di connessione, invece dei molteplici punti di connessione richiesti per utilizzare più PCB a singolo strato. Questo si rivela un vantaggio anche nella progettazione di prodotti elettronici, poiché è necessario includere un solo punto di connessione nel prodotto finale. Ciò è particolarmente vantaggioso per i piccoli dispositivi elettronici e i gadget progettati per ridurre al minimo dimensioni e peso.
Questi vantaggi rendono i PCB multistrato estremamente utili in una varietà di applicazioni, in particolare nei dispositivi mobili e nell’elettronica ad alte prestazioni. A loro volta, poiché molti settori si stanno orientando verso soluzioni mobili, i PCB multistrato stanno trovando spazio in un numero sempre maggiore di applicazioni specifiche per settore.
Svantaggi dei PCB multistrato
I vantaggi dei PCB multistrato sono numerosi, il che li rende applicabili a un'ampia varietà di tecnologie avanzate. Tuttavia, questi tipi di PCB non sono adatti a tutte le applicazioni. Infatti, diversi svantaggi possono superare i vantaggi dei PCB multistrato, soprattutto per i dispositivi elettronici a costo e complessità inferiori. Questi svantaggi includono quanto segue:
• Costo più elevato: I PCB multistrato sono significativamente più costosi dei PCB a uno o due strati in ogni fase del processo di produzione. Sono difficili da progettare e richiedono molto tempo per individuare e risolvere eventuali problemi. Inoltre, per produrli è necessario un processo di produzione altamente complesso, che richiede una grande quantità di tempo e manodopera da parte del personale addetto all’assemblaggio. Inoltre, a causa della natura di questi PCB, qualsiasi errore nel processo di produzione o assemblaggio è estremamente difficile da correggere, con il risultato di costi di manodopera aggiuntivi o di spese per materiale di scarto. Per di più, le apparecchiature utilizzate per produrre PCB multistrato sono piuttosto costose, poiché si tratta ancora di una tecnologia relativamente nuova. Per tutti questi motivi, a meno che le dimensioni ridotte non siano una necessità assoluta per l’applicazione, alternative più economiche possono rappresentare una scelta complessivamente migliore.
• Produzione complicataLe PCB multistrato sono più difficili da produrre e richiedono molto più tempo di progettazione e tecniche di produzione accurate rispetto ad altri tipi di PCB. Questo perché anche piccoli difetti nella progettazione o nella produzione del PCB potrebbero renderlo inutilizzabile.
• Disponibilità limitataUno dei maggiori problemi dei PCB multistrato sono i costi dei macchinari necessari per produrli. Non tutti i produttori di PCB dispongono dei fondi o della necessità per questi macchinari, quindi non tutti i produttori di PCB ne sono dotati. Questo limita il numero di produttori di PCB disponibili a realizzare PCB multistrato per i clienti. Pertanto, è meglio informarsi attentamente sulle capacità di un produttore di PCB in termini di PCB multistrato prima di sceglierlo come produttore a contratto.
• Designer qualificato richiestoCome discusso in precedenza, i PCB multistrato richiedono un ampio lavoro di progettazione preliminare. Senza esperienza pregressa, questo può essere problematico. Le schede multistrato richiedono l’interconnessione tra gli strati, ma devono allo stesso tempo mitigare i problemi di diafonia e di impedenza. Un singolo errore nella progettazione può portare a una scheda non funzionante.
• Tempo di produzioneCon l’aumento della complessità aumentano anche i requisiti di produzione. Questo incide su un problema chiave del tasso di rotazione dei PCB multistrato: ogni scheda richiede una quantità significativa di tempo per essere prodotta, con conseguenti maggiori costi di manodopera. Inoltre, ciò può comportare periodi più lunghi tra il momento in cui viene effettuato un ordine e quello in cui il prodotto viene ricevuto, il che può rappresentare un problema in alcune circostanze.
Tuttavia, questi problemi non riducono l’utilità dei PCB multistrato. Sebbene tendano a costare di più rispetto a un PCB a singolo strato, un PCB multistrato vanta numerosi vantaggi rispetto a questo tipo di circuito stampato.
Vantaggi dei PCB multistrato rispetto alle alternative a singolo strato
Rispetto alle alternative a singolo strato, i vantaggi dei PCB multistrato diventano ancora più evidenti. Alcuni dei principali miglioramenti offerti dai PCB multistrato includono i seguenti:
• Maggiore densità di assemblaggioMentre la densità dei PCB a singolo strato è limitata dalla loro superficie, i PCB multistrato moltiplicano la loro densità attraverso la sovrapposizione degli strati. Questa maggiore densità consente una funzionalità superiore, migliorando capacità e velocità nonostante le dimensioni ridotte del PCB.
• Dimensioni ridotte: Nel complesso, i PCB multistrato sono più piccoli in dimensioni rispetto ai PCB monostrato. Mentre i PCB monostrato devono aumentare l’area superficiale del circuito aumentando le dimensioni, i PCB multistrato aumentano l’area superficiale tramite l’aggiunta di strati, riducendo le dimensioni complessive. Ciò consente di utilizzare PCB multistrato ad alta capacità in dispositivi più piccoli, mentre i PCB monostrato ad alta capacità devono essere installati in prodotti più grandi.
• Peso più leggeroL’integrazione dei componenti in un PCB multistrato riduce la necessità di connettori e di altri componenti, offrendo una soluzione leggera per applicazioni elettriche complesse. I PCB multistrato possono svolgere la stessa quantità di lavoro di più PCB monostrato, ma lo fanno con dimensioni inferiori e con meno componenti di collegamento, riducendo il peso. Questo è un aspetto essenziale per i dispositivi elettronici più piccoli in cui il peso rappresenta un fattore critico.
• Funzionalità di progettazione avanzateNel complesso, i PCB multistrato sono in grado di offrire prestazioni superiori rispetto ai PCB monostrato standard. Grazie a una maggiore integrazione di caratteristiche a impedenza controllata, a una migliore schermatura EMI e a una qualità complessiva del design più elevata, i PCB multistrato possono ottenere di più nonostante le loro dimensioni ridotte e il peso inferiore.
Quindi, cosa significano questi fattori quando si deve decidere tra una struttura multistrato e una a singolo strato? In sostanza, se desideri realizzare un dispositivo di piccole dimensioni, leggero e complesso in cui la qualità è essenziale, un PCB multistrato è probabilmente la scelta migliore. Tuttavia, se dimensioni e peso non sono fattori primari nel design del tuo prodotto, allora un PCB a singolo o doppio strato potrebbe essere più conveniente in termini di costi.
Applicazioni PCB multistrato
I vantaggi e i confronti discussi sopra sollevano la domanda: qual è l’utilità dei PCB multistrato nel mondo reale? La risposta è: praticamente qualsiasi utilizzo.
Per numerosi settori, i PCB multistrato sono diventati l’opzione preferita per una varietà di applicazioni. Gran parte di questa preferenza deriva dalla spinta continua, in tutta la tecnologia, verso la mobilità e la funzionalità. I PCB multistrato rappresentano il passo logico in questa evoluzione, poiché offrono una maggiore funzionalità riducendo al contempo le dimensioni. Di conseguenza, sono diventati piuttosto onnipresenti e vengono utilizzati in molte tecnologie, tra cui:
• Elettronica di consumoL’elettronica di consumo è un termine ampio utilizzato per coprire una vasta gamma di prodotti usati dal grande pubblico. Questo tende a includere prodotti utilizzati quotidianamente, come smartphone e forni a microonde. Ciascuno di questi dispositivi di elettronica di consumo contiene un PCB, ma una percentuale sempre maggiore di essi utilizza PCB multistrato invece dei tradizionali strati singoli. Perché? Gran parte del motivo risiede nelle tendenze dei consumatori. Le persone nel mondo moderno tendono a preferire gadget multifunzione e dispositivi smart che si integrano con il resto della loro vita. Dai telecomandi universali agli smartwatch, questi tipi di dispositivi sono abbastanza comuni nel mondo moderno. Tendono inoltre a utilizzare PCB multistrato per la loro maggiore funzionalità e le dimensioni ridotte.
• Elettronica per computer: Tutto, dai server alle schede madri, utilizza PCB multistrato, principalmente per le loro caratteristiche di risparmio di spazio e l’elevata funzionalità. In queste applicazioni, le prestazioni sono una delle caratteristiche più essenziali di un PCB, mentre il costo è relativamente in basso nell’elenco delle priorità. Pertanto, i PCB multistrato rappresentano una soluzione ideale per molte tecnologie in questo settore.
• Telecomunicazioni: I dispositivi di telecomunicazione utilizzano spesso PCB multistrato in numerose applicazioni generali, come la trasmissione di segnali, le applicazioni GPS e satellitari. Il motivo principale risiede nella loro durata e funzionalità.PCB per applicazioni di telecomunicazionesono spesso utilizzati nei dispositivi mobili o nelle torri all’aperto. In tali applicazioni, la durata è essenziale pur mantenendo un elevato livello di funzionalità.
• Industriale: I PCB multistrato si dimostrano più durevoli rispetto a diverse altre opzioni attualmente sul mercato, il che li rende una buona scelta per applicazioni in cui una manipolazione brusca può essere un evento quotidiano. Di conseguenza, i PCB multistrato sono diventati popolari in diverse applicazioni industriali, tra le più importanti delle quali vi sono i sistemi di controllo industriale. Dai computer industriali ai sistemi di controllo, i PCB multistrato sono utilizzati in tutta la produzione e nelle applicazioni industriali per azionare i macchinari, apprezzati per la loro durata, nonché per le loro dimensioni ridotte e funzionalità.
• Dispositivi mediciL’elettronica sta diventando una parte sempre più essenziale del settore sanitario, operando in ogni ambito dell’industria, dalla diagnosi al trattamento.I PCB multistrato sono particolarmente apprezzati nell'industria medicaper le loro dimensioni ridotte, la natura leggera e l’impressionante funzionalità rispetto alle alternative a singolo strato. Questi vantaggi hanno portato all’utilizzo dei PCB multistrato nelle moderne apparecchiature a raggi X, nei monitor cardiaci, nelle apparecchiature per TAC e nei dispositivi di analisi medica, ecc.
• Militare e difesaPreferite per la loro durata, funzionalità e leggerezza, le PCB multistrato sono utili nei circuiti ad alta velocità, che stanno diventando una priorità crescente per le applicazioni militari. Sono inoltre apprezzate a causa della crescente tendenza dell’industria della difesa verso progetti di ingegneria altamente compatti, poiché le dimensioni ridotte delle PCB multistrato lasciano più spazio ad altri componenti per potenziare le funzioni esistenti.
• Automotive: Le automobili fanno sempre più affidamento sui componenti elettronici nell’era moderna, soprattutto con l’ascesa delle auto elettriche. Poiché tutto, dai GPS e computer di bordo agli interruttori dei fari e ai sensori del motore, è controllato dall’elettronica, l’uso dei giusti tipi di componenti diventa sempre più essenziale nella progettazione automobilistica. Questo è il motivo per cui moltei produttori di automobili iniziano a preferire i PCB multistrato rispetto ad altre alternativeSebbene siano di piccole dimensioni e durevoli, i PCB multistrato sono anche altamente funzionali e relativamente resistenti al calore, il che li rende adatti all’ambiente interno di un’automobile.
• AerospazialeCome le automobili, anche i jet e i razzi nell’era moderna fanno grande affidamento sull’elettronica, che deve essere estremamente precisa. Dai computer utilizzati a terra a quelli impiegati in cabina di pilotaggio, le applicazioni PCB nel settore aerospaziale devono essere affidabili, in grado di gestire le sollecitazioni dei viaggi atmosferici e, allo stesso tempo, lasciare spazio sufficiente al resto dell’attrezzatura circostante. I PCB multistrato rappresentano una soluzione ideale in questo caso, grazie ai numerosi strati protettivi che impediscono al calore e alle sollecitazioni esterne di danneggiare le connessioni, oltre alla possibilità di essere realizzati con materiali flessibili. La loro qualità e funzionalità superiori contribuiscono inoltre a questa utilità nell’industria aerospaziale, poiché le aziende del settore preferiscono utilizzare i migliori materiali possibili per mantenere al sicuro il proprio personale e le proprie attrezzature.
• E molti altri! I PCB multistrato sono utilizzati in una vasta gamma di altri settori, inclusi quello scientifico e della ricerca, nonché negli elettrodomestici e nei sistemi di sicurezza domestica. Tutto, dai sistemi di allarme e sensori in fibra ottica agli acceleratori atomici e alle apparecchiature per l’analisi meteorologica, utilizza PCB multistrato, sfruttando il risparmio di spazio e di peso offerto da questo formato di PCB, oltre alla loro maggiore funzionalità.
Perché i PCB multistrato sono così ampiamente utilizzati?
Le specifiche applicazioni elencate sopra rappresentano solo una frazione dei PCB multistrato utilizzati in tutta l’industria. Ma perché sono così ampiamente utilizzati?
Gran parte del favoreggiamento verso i PCB multistrato deriva dalle tendenze del settore. Con l’elettronica che progredisce sempre più verso la miniaturizzazione e al contempo verso opzioni multifunzionali, i componenti interni di tali dispositivi devono seguire la stessa tendenza. Mentre i PCB monostrato e a doppia faccia si sono dimostrati limitati nella loro capacità di bilanciare dimensioni e funzionalità, i PCB multistrato offrono una soluzione completa.
Sebbene vi siano diversi svantaggi nell’utilizzo di PCB multistrato rispetto alle opzioni a uno o due strati, come costi più elevati, tempi di progettazione più lunghi e maggiori input di produzione, questi costi stanno diventando sempre più accettati nel mondo di oggi. La funzionalità è in gran parte preferita al costo e le persone sono disposte a pagare di più per dispositivi elettronici ad alta capacità. Inoltre, man mano che la tecnologia diventa sempre più mainstream, le tecniche di produzione e i macchinari finiranno per diventare meno costosi, soprattutto con l’arrivo di nuove tecniche nel settore.
Con queste tendenze irreversibili e il continuo progresso della tecnologia, molti si aspettano che i PCB multistrato diventino ancora più diffusi in futuro.
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