Progressi nella progettazione di PCB multistrato per applicazioni ad alta frequenza

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

Questo articolo esplora i vantaggi, le sfide e la fattibilità dei PCB multistrato progettati specificamente per le applicazioni ad alta frequenza.

L'avvento dei PCB multistrato

Storicamente, i circuiti stampati erano caratterizzati principalmente da una struttura a uno o due strati, che ne limitava l'idoneità alle 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 complessive.

I PCB multistrato (Figura 1) sono costituiti da numerosi strati conduttivi separati da substrati isolanti. Questo design consente la trasmissione dei segnali e la realizzazione di piani di alimentazione in modo sofisticato.

Figura 1: Struttura interna di un PCB multistrato

I circuiti stampati multistrato si distinguono dai loro omologhi a singolo o doppio strato per la presenza di tre o più strati conduttivi separati da materiale isolante, comunemente noto come strato dielettrico. L'interconnessione di questi strati è facilitata dai via (o fori di via), ovvero minuscoli passaggi conduttivi che facilitano la comunicazione tra strati diversi. Il design complesso dei PCB multistrato consente una maggiore concentrazione di componenti e circuiti, rendendoli essenziali per le tecnologie più avanzate.

I PCB multistrato presentano in genere un elevato grado di rigidità, a causa della sfida intrinseca di realizzare più strati all'interno di una struttura PCB flessibile. Le connessioni elettriche tra gli strati sono stabilite attraverso l'utilizzo di diversi tipi di via (Figura 2), tra cui via ciechi e via interrati.

La configurazione prevede il posizionamento di due strati sulla superficie per stabilire una connessione tra il circuito stampato e l'ambiente esterno. In generale, la densità degli strati nei circuiti stampati è pari. Ciò è dovuto principalmente alla suscettibilità dei numeri dispari a problemi quali la deformazione. Il
numero di strati varia a seconda dell'applicazione specifica, ma in genere si aggira tra i quattro e i dodici strati.

In genere, la maggior parte delle applicazioni richiede un minimo di quattro e un massimo di otto strati. Al contrario, le applicazioni come gli smartphone impiegano prevalentemente un totale di dodici strati.

Figura 2: I vias vengono utilizzati per interconnettere i layer (Fonte: Altium)

Applicazioni principali

I PCB multistrato sono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni elettroniche (Figura 3), tra cui:

• L'elettronica di consumo, dove i PCB multistrato svolgono un ruolo fondamentale fornendo l'alimentazione e i segnali necessari per un'ampia gamma di prodotti come smartphone, tablet, console di gioco e dispositivi indossabili. I dispositivi elettronici eleganti e portatili da cui dipendiamo quotidianamente sono attribuiti al loro design compatto e all'alta densità di componenti.
• Nel campo delle telecomunicazioni, l'utilizzo di PCB multistrato facilita la trasmissione fluida di voce, dati e segnali 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 efficacemente sistemi di controllo intricati, 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 influenzati in modo significativo dal loro ruolo importante.

Figura 3: Un PCB complesso richiede una progettazione multistrato (Fonte: Altium)

Vantaggi e benefici

I PCB multistrato offrono numerosi benefici e vantaggi nelle applicazioni ad alta frequenza, tra cui:

• Integrità del segnale migliorata: I circuiti stampati multistrato facilitano il routing a impedenza controllata, riducendo al minimo la distorsione del segnale e garantendo una trasmissione affidabile dei segnali ad alta frequenza. Le minori interferenze di segnale dei circuiti stampati multistrato migliorano le prestazioni, la velocità e l'affidabilità.
• Riduzione delle EMI: grazie all'utilizzo di piani di massa e di alimentazione dedicati, i PCB multistrato sopprimono efficacemente le EMI, migliorando l'affidabilità del sistema e riducendo al minimo le interferenze con i circuiti vicini.
• Design compatto: Grazie alla capacità di ospitare un maggior numero di componenti e schemi di instradamento complessi, i PCB multistrato consentono di realizzare progetti compatti, fondamentali per le applicazioni con limiti di spazio come i dispositivi mobili e i sistemi aerospaziali.
• Migliore gestione termica: I PCB multistrato offrono un'efficiente dissipazione del calore grazie all'integrazione di vias termici 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, permettendo agli ingegneri di ottimizzare parametri di prestazione come l'adattamento dell'impedenza, il ritardo di propagazione del segnale e la distribuzione della potenza.

Svantaggi

Uno dei principali svantaggi associati ai circuiti stampati multistrato è il loro costo più elevato rispetto ai circuiti stampati a singolo o doppio strato 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, in quanto la produzione di PCB multistrato richiede un periodo di progettazione molto più lungo e metodi di produzione meticolosi rispetto ad altri tipi di PCB. Complessità di produzione: La produzione di PCB multistrato richiede processi di produzione sofisticati, tra cui l'allineamento preciso degli strati, l'instradamento controllato dell'impedenza e misure rigorose di controllo della qualità, che comportano un aumento dei costi di produzione e tempi di consegna più lunghi.

I PCB multistrato richiedono un'accurata pre-progettazione e, pertanto, per il loro sviluppo sono necessari ingegneri competenti. La produzione di ogni scheda richiede una notevole quantità di tempo, con conseguente aumento delle spese di manodopera. Inoltre, può comportare intervalli di tempo prolungati tra l'invio di un ordine e la ricezione del prodotto, il che può rappresentare una sfida in alcune situazioni.

Tuttavia, queste preoccupazioni non compromettono l'efficacia dei circuiti stampati multistrato (PCB). Sebbene i PCB multistrato siano spesso più costosi dei PCB monostrato, offrono numerosi vantaggi rispetto a questa particolare forma di circuito stampato.

Poiché i dispositivi elettronici continuano a ridursi di dimensioni e ad aumentare la densità di potenza, un'efficace gestione termica diventa fondamentale nei PCB multistrato, rendendo necessarie soluzioni innovative per attenuare i punti caldi termici e garantire prestazioni ottimali. Inoltre, la convalida delle prestazioni dei progetti di 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 (PCB) multistrato per applicazioni ad alta frequenza, di solito sono utili diversi suggerimenti.

Per ridurre i problemi legati alla progettazione di circuiti stampati multistrato, l'area principale di enfasi si concentra in genere sullo stackup. Quando si decide la sovrapposizione degli strati, è importante prendere in considerazione fattori quali la funzionalità, la produzione e l'impiego.

Iniziate ottimizzando le dimensioni del pannello, poiché questo influenzerà le decisioni relative alle altre caratteristiche. Nel determinare le dimensioni ideali del pannello, tenere in considerazione i seguenti fattori:

• Il numero di componenti da alloggiare sulla scheda
• Le dimensioni di questi componenti
• Dove verrà installato il pannello
• Le tolleranze del partner di produzione per la spaziatura, le distanze e i fori di perforazione

Una volta deciso il numero di strati, si procede alla selezione dei vias, siano essi ciechi, passanti, interrati o in pad. Questo aspetto influisce sulla complessità della produzione e quindi sulla qualità del PCB.

Nella sezione di progettazione di PCB multistrato, il software di progettazione di PCB è una parte essenziale del processo di progettazione. Aiuta i progettisti a generare la struttura delle connessioni meccaniche e di cablaggio del PCB dalla netlist, a posizionare questa struttura di connessione sui multistrati e a generare file di progettazione assistita dal computer. Il CAD è essenziale per la produzione del PCB. Esistono diversi software di progettazione di PCB che possono essere utilizzati per progettare il PCB multistrato. Tuttavia, alcuni sono più utilizzati di altri, soprattutto per la loro interfaccia più semplice.

Si prenderà in considerazione anche la DFM, il cui obiettivo è creare parti e componenti di 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 della progettazione del prodotto. La DFM deve essere condotta in modo tempestivo prima di iniziare la lavorazione degli utensili. È indispensabile coinvolgere tutte le parti interessate nella 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 ridurre i possibili problemi del progetto.

Manufatturabilità

La produzione di PCB multistrato per applicazioni ad alta frequenza comporta diverse fasi chiave:

• Progettazione e layout: Gli ingegneri utilizzano un software specializzato nella progettazione di PCB per creare il layout, tenendo conto di fattori quali l'integrità del segnale, la gestione termica e la mitigazione delle EMI.
• Selezione dei materiali: I materiali di alta qualità con bassa costante dielettrica e tangente di perdita sono scelti per ridurre al minimo la perdita di segnale e mantenere le prestazioni ad alta frequenza.
• Pianificazione della sovrapposizione degli strati: La sovrapposizione degli strati viene pianificata con cura per ottimizzare l'instradamento del segnale, l'adattamento dell'impedenza e la dissipazione termica, tenendo conto di fattori quali la frequenza del segnale, lo spessore della scheda e lo spessore del rame.
• Fabbricazione e assemblaggio: Tecniche di fabbricazione avanzate come la foratura laser, la laminazione sequenziale e l'incisione a impedenza controllata sono utilizzate per produrre PCB multistrato con precisione e affidabilità.
• Test e garanzia di qualità: Per garantire le prestazioni, l'affidabilità e la conformità dei PCB multistrato agli standard e alle specifiche del settore, vengono eseguite rigorose procedure di test, tra cui l'analisi dell'integrità del segnale, le misure di impedenza, le immagini termiche e i test EMI.

Conclusione

L'evoluzione della progettazione di 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 le telecomunicazioni, l'aerospaziale, l'automotive e l'elettronica medica. Grazie ai continui progressi nei materiali, nelle tecniche di fabbricazione e nelle metodologie di progettazione, i PCB multistrato sono destinati a continuare a guidare l'innovazione nell'elettronica ad alta frequenza per gli anni a venire.

19.06.2024