Il mondo contemporaneo è sempre più caratterizzato dall’elettronica. Un vero e proprio universo di circuiti stampati, componenti e display che sono diventati gli elementi che ci accompagnano nella nostra vita quotidiana a contatto con le apparecchiature che ci siamo abituati ad utilizzare quotidianamente.

Anche se non lo vediamo, il cuore pulsante di queste apparecchiature risiede nel circuito stampato, comunemente conosciuto come scheda elettronica. Si tratta di una basetta di materiale sintetico, detto FR4. Si tratta di un materiale composito di tessuto di fibre di vetro intrecciato in una matrice di resina epossidica ritardante di fiamma.

La piastra, detta anche basetta, presenta sulle due superfici (quella superiore detta TOP e quella inferiore detta BOTTOM, ma ne esistono anche a più strati con livelli interni) un sottile foglio di rame, normalmente di 35 micron di spessore, sul quale, tramite un processo fotochimico vengono ricavate le piste e le piazzole per i componenti. Le piste non sono altro che le strade sulle quali viaggeranno le correnti e i segnali provenienti dai componenti connessi alle piste tramite le piazzole stesse, cioè piccole aree alle quali i componenti elettronici saranno saldati.

Gli step che portano dall’idea alla realizzazione della scheda sono numerosi, così come complesse sono le attrezzature che un’azienda di produzione schede elettroniche deve possedere per poter realizzare sia prototipazioni che piccole e grandi produzioni.

Il design della scheda elettronica

La progettazione della scheda elettronica segue normalmente alcuni passaggi fondamentali.

1. Analisi dello scopo della scheda
2. Sua progettazione dal punto di vista elettrico e concettuale (definizione dello schema di funzionamento, diagramma di flusso delle logiche, scelta dei componenti, dimensionamento delle piste e del layout della scheda, scelta della tecnologia di montaggio dei componenti)
3. Realizzazione del master della scheda su cad elettronico con il posizionamento dei componenti sulla basetta e “sbroglio” delle piste (cioè un ordinamento delle piste in base ai funzionamenti e correzione di eventuali sovrapposizioni di collegamenti).
4. Analisi della distanza dei componenti alla luce di eventuali dispersioni di calore e correzione di eventuali sovratemperature.

Realizzazione master

Terminata la fase di progettazione, che spesso coinvolge un team di ingegneri anche numeroso, proporzionalmente alla complessità del progetto, si procede alla realizzazione del cosiddetto master, cioè del prototipo della scheda sulla quale verranno effettuati tutti i test del caso.

Il design della scheda realizzato nella prima fase verrà stampato su di una pellicola trasparente attraverso un fotoplotter, una particolare stampante in grado di stampare con un colore nero assoluto su di un foglio di acetato trasparente.

La basetta neutra, ricoperta dei due sottili fogli di rame verrà resa fotosensibile, tramite una pellicola applicata in assenza di aria. A questa verranno sovrapposte le due pellicole realizzate con il fotoplotter e il tutto verrà esposto ai raggi UV sotto vuoto per alcuni secondi, tramite un’apparecchiatura chiamata bromografo. Una volta impressionata (come in un vero e proprio processo fotografico) si procederà a rimuovere la pellicola plottata e a “sviluppare” la pellicola fotosensibile. Quest’ultima resterà presente solo negli spazi che non sono stati colpiti dalla luce UV, cioè quelli coperti dal disegno delle piste e delle piazzole stampate sulla pellicola.

Una volta effettuato lo sviluppo si procederà alla fase di incisione. Questa avverrà tramite un bagno a media temperatura con cloruro ferrico che provvederà a rimuovere il rame in eccesso e a preservare quello coperto dalla pellicola fotosensibile induritasi con il processo di sviluppo.

Al termine di questa fase resteranno sulla basetta le piste e le piazzole. Dopo il processo di foratura e fresatura che avverrà tramite centri di lavoro a controllo numerico (comandati, cioè, da un computer che avrà all’interno le coordinate di ogni foro e di ogni lato della scheda per il suo taglio), si procede ad altri due processi fotografici: l’applicazione del soldermask e la serigrafia.

Il primo processo, realizzato anch’esso tramite una pellicola fotosensibile e una realizzata a fotoplotter, consiste nella copertura delle piste e di una piccola porzione delle piazzole, con uno strato di pellicola resistente al calore della saldatura. Questo processo servirà a creare una protezione della scheda non solo da eventuali gocce di stagno che potrebbero creare corto circuiti, ma anche a proteggerla da umidità, ossidazioni e attacchi di eventuali acidi.

La seconda fase, la serigrafia, servirà a disegnare e scrivere sulla scheda elettronica tutte le indicazioni che serviranno sia all’eventuale montaggio manuale dei componenti, sia ad un’eventuale manutenzione futura della scheda.

Tutte le fasi appena descritte, coinvolte sia nella fase di realizzazione del prototipo, sia in quella di produzione di serie, vedono coinvolti sia gli operatori di produzione che le macchine. Il coinvolgimento di entrambi è fondamentale per una buona riuscita del lavoro. L’ausilio delle macchine, dotate di telecamere intelligenti ad alta luminosità e definizione permettono un’analisi minuziosa della scheda elettronica, permettendo di rilevare errori o piccoli corto circuiti anche su dimensioni dell’ordine del micron.

Il montaggio della scheda

Dopo la fase di realizzazione della basetta si passa al montaggio dei componenti sulla scheda.

Nel caso in cui la tecnologia definita in fase di progettazione sia PTH (i componenti cioè vengono montati sulla scheda facendone passare i reofori attraverso dei fori) una macchina automatica selezionerà da appositi caricatori i componenti e, dopo averne adeguatamente piegati i reofori, provvederà a inserirli nei fori precedentemente realizzati sulla scheda. Una volta completata questa fase la scheda verrà inserita in un apposto bagno di stagno liquido per la stagnatura e poi lasciata raffreddare (si raggiungono temperature dell’ordine di circa 300 gradi).

Nel caso, invece, la tecnologia scelta sia quella SMD (i componenti sono microscopici e vengono posizionati sulla superficie della scheda) si provvederà a coprire le piazzole del circuito con uno strato sottile di stagno in pasta (detto anche colla). Il processo per l’applicazione dello stagno è molto simile a quello serigrafico. Dopodichè una macchina automatica (detta pick and place) provvederà a collocare i componenti sulle rispettive zone della scheda. Una volta posizionati i componenti, la scheda verrà posta in un forno cosiddetto a rifusione che provvederà a trasformare la “colla” in stagno e a fissare, così. i componenti sulla scheda.

La tecnologia che sta dietro una macchina pick and place è complessa e ricca. Una telecamera controlla costantemente che i componenti siano correttamente collocati sulla scheda e che non sussistano errori di sorta.

I test funzionali

La scheda adeguatamente identificata tramite tag con codici a barre passa ad una serie di collaudi sia di continuità con letti ad aghi che testano tutte le condizioni di montaggio e di realizzazione del scheda stessa, sia di funzionamento vero e proprio.  Solo dopo aver superato tutti i test la scheda potrà essere realizzata su larga scala, per la maggior parte utilizzando le stesse tecnologie usate per la realizzazione dei prototipi.

Una produzione, quella dei prodotti elettronici, che non può che coinvolgere tecnologie avanzatissime e fortemente automatizzate, le quali garantiscono una qualità al 100% in tutti i passaggi dell’intera filiera produttiva.