Quando e come devono essere usati i PCB multistrato

La domanda di circuiti stampati multistrato è in crescente aumento. L'elettronica dei dispositivi piccoli e veloci ha reso il PCB multistrato molto popolari. Questi tipi di circuiti stampati consente una miniaturizzazione senza precedenti, con un altissimo tasso di densità di componenti. I PCB multistrato sono circuiti stampati composti da più di due strati. Essi devono avere, pertanto, almeno tre strati di materiale conduttivo all’interno del materiale isolante. Invece i PCB a doppia faccia hanno solo due strati di materiale conduttivo, il top e il bottom. Oggi i dispositivi estremamente complessi, come i telefoni cellulari, le smart TV, i computer e altri non potrebbero esistere senza il supporto di ottimi PCB multilayer. Esaminiamo, in questo articolo, gli ambiti dei loro utilizzi e le occasioni in cui essi devono essere adottati.

Panoramica dei PCB multistrato

Con le nuove tecnologie e con l’alta integrazione dei componenti, i circuiti elettronici sono oggi estremamente complessi e le connessioni tra le varie parti si sono enormemente moltiplicate. I circuiti mono faccia e doppia faccia non sono più sufficienti e per le applicazioni di alta frequenza è indispensabile mantenere spessori di montaggio estremamente ridotti per evitare aumenti capacitivi indesiderati. In altre parole, oggi, i PCB multistrato sono l’unica soluzione per permettere la realizzazione dei circuiti elettrici ed elettronici che oggi conosciamo. Telefonini, computer, schede madri, sistemi embedded e altro dispongono tutti di un PCB multistrato e se, apparentemente, essi non sono visibili, la loro presenza è garantita grazie alla estrema compattezza dei dispositivi stessi. Come suggerisce il nome essi sono una combinazione di diversi strati. I PCB a singola faccia e a doppia faccia vengono combinati assieme per creare questo complesso PCB finale.

Avendo un numero maggiore di strati, essi hanno una maggiore area disponibile per il montaggio dei componenti elettronici e per il cablaggio. I vari livelli sono separati tra loro con materiale isolante. Ogni strato è dedicato a una specifica funzione, quando il PCB è progettato in modo ottimale. Occorre che la disposizione degli strati non crei problemi agli altri strati. Le tecniche per la produzioni dei PCB multilayer sono estremamente complesse e solo le aziende seriamente all’avanguardia possono realizzarle. Oggi è facile trovare PCB composti anche da 32 e più strati e le tecniche per la loro realizzazione sono estremamente avanzate. In via teorica si possono realizzare anche PCB con 100 e più livelli. Gli smartphone possono prevedere fino a 12 livelli, secondo la complessità delle applicazioni previste. I vari strati alternati (vedi in figura 1) sono compressi insieme ad alta temperatura e pressione per eliminare ogni residuo di aria che resti intrappolata.

In questo modo anche gli strati conduttivi risultano perfettamente incapsulati dalla resina per un risultato finale sicuro e garantito. Ricordiamo che gli strati conduttivi sono le vere e proprie piste, su cui passa la corrente elettrica. I PCB multistrato trovano un campo di applicazione oggi estremamente esteso e, praticamente, tutti i dispositivi complessi usano questo metodo di connessione. Essi si possono trovare nei computer, nei circuiti di telefonia, nei dispositivi palmari, nei sistemi industriali e medicali. Con l’universalità di utilizzo, i PCB multistrato comportano, ovviamente, grandi vantaggi, permettono la realizzazione di circuiti dalle dimensioni ridotte, con un notevole risparmio di spazio e di peso, i cablaggi esterni sono ridotti al minimo, i componenti elettronici possono essere montati rispettando una maggiore densità di assemblaggio, si riducono drasticamente le impedenze e le capacità parassite e vi è una efficiente schermatura EMI grazie al posizionamento accurato degli strati di potenza e di terra. L’utilizzo dei PCB a tanti strati permette di implementare circuiti elettronici molto complessi su PCB di piccole dimensioni.

Figura 1: la composizione standard di un PCB multistrato

Vantaggi dei PCB multistrato

I PCB multistrato offrono numerosi vantaggi e il loro utilizzo sta aumentando in modo esponenziale. Ecco i principali vantaggi di queste schede:

• l’attuale tecnologia permette la realizzazione di PCB rigidi o flessibili. E’ ovvio che, maggiore è il numero di strati e minore risulta la sua flessibilità;
• con i PCB le dimensioni dei dispositivi sono minori. L’impilaggio degli strati, infatti, consente il risparmio di spazio e ingombri ridotti, e i circuiti sono anche più leggeri per l’assenza di connettori;
• aumenta le capacità e le complessità dei circuiti;
• probabilmente l’unico aspetto negativo è rappresentato dai prezzi, molto più elevati dei PCB tradizionali. Tuttavia tale piccolo problema è ampiamente compensato grazie alle funzionalità e prestazioni raggiunte.

Accumulo errato degli strati

La progettazione di un PCB multistrato è una operazione estremamente complessa, essa è quasi un’arte. Se il circuito che il PCB ospita lavora a bassa frequenza (o addirittura in corrente continua) non esistono problemi sostanziali di progettazione. Se, al contrario, il sistema deve lavorare alle alte frequenze, occorre rispettare tanti criteri dettati dalla fisica, dall’elettronica, dall’elettrostatica e dal magnetismo, al fine di preservare la ottimale operatività del circuito, in tutte le condizioni. Quando gli strati di un PCB multistrato è progettato in maniera errata, si possono verificare alcune anomalie, spesso fatali, ai fini del corretto funzionamento del sistema. Alcuni di questi problemi sono l’overshoot, l’undershoot, le interferenze elettromagnetiche, l’accoppiamento scorretto dei segnali, la diafonia e, addirittura, la loro perdita o la loro attenuazione. Si tratta, come si può ben comprendere, di problemi insormontabili che un circuito elettronico di qualità non deve assolutamente avere. Se esso, infatti, presenta anomalie e difetti di segnali, probabilmente esso non riceverà nemmeno le necessarie certificazioni di isolamento, di conformità e di sicurezza, per potere essere regolarmente messo in commercio.

Un progetto perfetto del PCB, pertanto, è un passo essenziale per la relativa successiva produzione. Un efficiente disegno degli strati permette, sicuramente, di risparmiare successive perdite di tempo ed evita l’insorgere di possibili problemi futuri che potrebbero sorgere a causa di un design improprio. L’ordine dei vari strati di PCB è estremamente critico e occorre rispettare le diverse priorità di impilaggio, per i quali , vengono considerati anche i materiali e gli spessori di cui è composto il substrato e le tracce conduttive. Come si vede dalla figura precedente, i diversi strati conduttivi, come il “normal signal layer”, il “power layer”, il “ground layer” e il “high speed signal layer” sono posizionati a regola d’arte, relativamente al progetto in oggetto. Pertanto la posizione dei piani di massa e dei diversi tipi di livelli di segnale gioca un ruolo essenziale nella buona riuscita del progetto finale. Se gli strati sono pianificati in modo errato, potrebbero verificarsi delle interferenze elettromagnetiche indesiderate e la presenza di un segnale di scarsa qualità. Per un perfetto PCB multistrato occorre assicurare un ritorno di loop sufficiente del segnale. Inoltre dovrebbero essere considerati tutti i casi di una possibile sovrapposizione o di connessione incrociata tra i segnali e, soprattutto, studiare attentamente le tipologia di frequenze dei segnali da instradare.

Gli strati del PCB multi livello

La massa offre un supporto di schermatura ai segnali, e in questo tipo di PCB, essi non dovrebbero essere evitati. Anzi, per le grandi velocità di comunicazione a cui potrebbe essere sottoposto un circuito, è conveniente posizionare uno strato di massa in corrispondenza di ogni strato di segnale. Spesso, per risparmiare in termini di costi finali e di spessore dell’intero sistema, si preferisce limitare la sovrapposizione di strati, diminuendoli. Pertanto gli strati di massa sono posizionati dopo ogni due strati di segnale, come mostrato in figura. Anche i piani di alimentazione dovrebbero essere posizionati molto vicini ai piani di terra. Considerando, dunque, solo gli strati conduttivi, una possibile ripartizione degli strati potrebbe essere la seguente:

• copper layer: normal signal;
• copper layer: power layer;
• ground layer;
• copper layer: high speed signal layer;
• copper layer: high speed signal layer;
• ground layer;
• copper layer: power layer;
• copper layer: normal signal.

Ovviamente la ripartizione e il posizionamento dei vari strati dipende da caso a caso, pertanto in commercio si possono trovare diverse soluzioni. La sequenza dei vari livelli dipende, tra le altre cose, anche dalla spesa che il cliente è disposto a spendere per il proprio progetto. A ogni modo, i progettisti di schede cercano di separare logicamente i livelli in base alla loro funzione logica. Ad esempio in un complesso sistema, come quello di un computer, si potrebbero avere le linee dell’alimentazione elettrica, della terra, della gestione generale, dei dispositivi, della memoria, del processore e del chipset. Queste linee, data la loro estrema velocità di comunicazione, non possono essere inserite nello stesso livello ma devono essere distribuiti su piani diversi, al fine di ottimizzare la qualità del funzionamento del sistema. Nei PCB multistrato le tracce di ritorno o il livello di messa a terra è utilizzato come una soluzione di schermatura. Inoltre le tracce a 90° dovrebbero essere evitate, per non incorrere in problemi di EMI.

Dove vanno montati i componenti elettronici?

I PCB multistrato, come si è detto in precedenza, consentono la realizzazione di circuiti molto complessi, compatti e miniaturizzati. Per queste particolari caratteristiche è possibile montare i componenti (anche dotati di molti terminali) estremamente vicini tra loro. Le induttanze e le capacità parassite, in questo modo, diminuiscono drasticamente. La procedura normale di montaggio dei componenti elettronici prevede il loro posizionamento sugli strati esterni, quindi sul livello superiore e sul livello inferiore. Quando, però, i circuiti sono molto complessi, potrebbe essere necessaria la loro collocazione negli strati interni del PCB, specialmente in settori estremamente critici, come quello medicale, quello militare e quello spaziale, per i quali i motivi di interferenze elettriche e magnetiche devono essere completamente azzerati ed eliminati. I vari livelli conduttivi sono separati efficacemente dagli strati isolanti. Gli strati interni al PCB sono solitamente schede a doppia faccia, mentre gli strati esterni sono costituiti da schede mono faccia. Per la realizzazione di un PCB multistrato occorre tenere d’occhio diverse caratteristiche. L’integrità del segnale e una delle più importanti. Se essi sono progettate male, le tracce di rame sul PCB potrebbero avere una resistenza elettrica che, in alcuni casi, può alterare la qualità della corrente. Questo è il motivo per cui sono necessarie tracce con impedenza controllata, aumentando anche lo spessore del rame.

Il collegamento tra i vari livelli

I collegamenti elettrici tra i vari livelli sono realizzati con fori metallizzati (vedi in figura 2). Essi possono essere passanti o ciechi. Una delle soluzioni per risparmiare spazio (ma anche denaro) è quella di costruire le normali piste “nascoste” all’interno degli strati. Tali piste, infatti, potrebbero sprecare spazio e in maniera intelligente vengono “affondate” all’interno dello strato stesso, risultando del tutto sepolte o cieche. I tipi di collegamento possono essere dei “via”, “buried via”, “Blind Via”, “Stacked Vias”, “Staggered Vias”, eccetera. I diversi livelli possono riferirsi a piani diversi, come il piano di massa, il piano di alimentazione, il piano del segnale ecc.

Figura 2: i livelli di un PCB sono collegati tra loro con diverse tecniche

Software per la creazione di PCB multilayer

Oggi i software per il disegno di un PCB multilayer sono sempre più numerosi. Sia di tipo freeware che commerciale, sono sempre di più i programmi che aiutano gli sviluppatori a realizzare un PCB con tanti livelli (vedi figura 3). Attualmente vi sono ottimi software di progettazione di PCB multistrato, alcuni dei quali consigliati da diversi ingegneri hardware. Tra essi possiamo annoverare Altium design, Eagle, KiCad e OrCAD. Questi e altri software permettono una corretta procedura di impilaggio dei livelli, attraverso un sofisticato stackup manager che assicuri una ottima sincronizzazione con i vari elementi del circuito.

Figura 3: i nuovi software permettono spesso la creazione di PCB multilayer

La pianificazione della strategia di stackup del PCB a strati permette l’alternanza tra i segnali e piani di alimentazione o di massa. Ogni strato è separato da un dielettrico o da un prepreg. L'obiettivo principale è quello di sopprimere i disturbi EMI, i crosstalk e la diafonia tra i livelli, consentendo un instradamento efficiente dei vari segnali tra i livelli. Il routing dovrebbe utilizzare saggiamente i vias, seguendo alcune regole abbastanza critiche.

Costi

Purtroppo i PCB multistrato, per quanto siano insostituibili, sono caratterizzati da un costo abbastanza alto. I PCB multistrato richiedono anche più tempo per la progettazione e la produzione, per cui le aziende hanno la necessità di ricevere i files di progetto molto tempo prima. Anche la riparazione dei PCB multistrato è più complessa rispetto ai normali progetti di PCB. La figura 4 mostra un grafico generale dei costi medi dei PCB multilayer di tre produttori presi a campione. I criteri dei costi del grafico sono i seguenti:

• quantità ordinata dei PCB: 100;
• dimensioni del PCB: 400 mm x 200 mm;
• numero di livelli: 2, 4, 6, 8, 10.

Il grafico mostra il prezzo medio dei PCB di tre diverse aziende, ma esso non deve essere preso come valore assoluto ma per avere una idea di come aumentino i prezzi in dipendenza del numero dei livelli. Ovviamente le spese di spedizione non sono comprese nel calcolo. Online esistono validi calcolatori, prodotti dagli stessi produttori, che aiutano il cliente a valutare i costi dei propri circuiti stampati, scegliendo diversi parametri come, ad esempio, la tipologia del conduttore, le dimensioni, la quantità, il numero dei livelli, il materiale dell’isolante, lo spessore e molti altri.

Figura 4: il grafico dei costi medi dei PCB con un diverso numero di livello

Conclusioni

I produttori di PCB hanno riscontrato un aumento della domanda di schede multistrato a causa della necessità di dispositivi più piccoli e complessi per vari settori. Si tratta di PCB realizzabili solo a livello industriale e i costi di produzione obbligano i clienti all’acquisto di grosse quantità. Avere più strati all'interno del circuito stampato consente più circuiti e cablaggi per applicazioni più complesse. I produttori oggi preferiscono un numero pari di strati invece di dispari, poiché la laminazione di un numero dispari di strati può rendere il circuito troppo complesso e presentare problemi. I pannelli multistrato, infatti, sono realizzati con pannelli laminati a due strati. La progettazione di un PCB multilayer è, sicuramente, una delle più complesse tecniche dell’elettronica moderna.

04.03.2022