Tecnologia delle schede multistrato Studente: Marco Lisi
Universit degli Studi di Bologna Corso di Laurea Specialistica in
Ingegneria Elettronica Corso in Sistemi a Microprocessore LS AA.
2006 2007 Relatore: Prof. Bruno Ricc
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Cos una PCB? PCB: Printed Circuit Board utilizzata per creare
connessioni tra compontenti elettronici come ad esempio:
resistenze, circuiti integrati e connettori presente in ogni tipo
di dispositivo elettronico: multimetri, telecomando ad infrarossi,
Personal Computer, sistema di controllo nelle automobili, ecc.
possono essere di tipo rigido o flessibile
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Struttura di una PCB Tipicamente esistono due topologie di PCB:
a singola/doppia faccia o multistrato (MLB) Le schede a
singola/doppia faccia sono costituite da uno strato interno, detto
core, di materiale dielettrico (tipicamente vetronite, FR4) al
quale aderiscono una/due lamine di rame. Su queste vengono create
le piste del circuito progettato. Nelle schede a multistrato
invece, pi elementi a doppia faccia vengono allineati e sovrapposti
interponendo fra loro un materiale detto pre-preg e inoltre vengono
pressati fino a creare un unico blocco composto da pi strati di
rame, anche fino a 40 nelle pi moderne tecnologie. Occupazione area
minore Prestazioni migliori Migliore controllo su EMI Applicazioni:
Telefonia mobile Sistemi di telecomunicazioni Periferiche LCD
Bluetooth Applicazioni varie
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Schede multistrato: processo di fabbricazione Gli step di base
di un processo di fabbricazione multistrato sono 12: 1.Set-up
2.Imaging 3.Etching 4.Multilayer pressing 5.Drilling 6.Plating
7.Masking 8.Board finishing 9.Silk screening 10.Route 11.Quality
control 12.Electrical test
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Schede multistrato: processo di fabbricazione 1.Set-up
2.Imaging 3.Etching 4.Multilayer pressing 5.Drilling 6.Plating
7.Masking 8.Board finishing 9.Silk screening 10.Route 11.Quality
control 12.Electrical test SET-UP La fase di set-up consiste nella
scelta dei materiali, dei processi e dei requisiti. Viene definita
la qualit e l'affidabilit della scheda, con riferimento alle
specifiche date da: NHB-5300, Mil-PRF-31032, IPC- 6012. Vengono
scelti i materiali per il core e gli strati pre-preg riferendosi ai
materiali IPC- 4101 (ad esempio nel caso di laser drilling si usano
dielettrici particolari) Viene definito lo Stack-Up dei layer (core
stack-up oppure foil stack-up) Si definiscono gli spessori degli
strati di rame, di dielettrico e della scheda in generale Core
stack-up Foil stack-up
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Schede multistrato: processo di fabbricazione Nellambito di
applicazioni ad alta frequenza di funzionamento esempi di stack-up
possono essere: 10 layer 2 layer utilizzabili per microstrisce
(micro-strip) 4 layer disponibili per piste strip-line asimmetriche
1 layer di alimentazione 3 piani di massa 10 layer 2 layer
utilizzabili per microstrisce (micro-strip) 4 layer disponibili per
piste strip- line asimmetriche 1 layer di alimentazione digitale 2
layer per segnali analogici 6 layer 2 layer utilizzabili per
microstrisce (micro-strip) 2 layer disponibili per micro- strip
buried 1 layer di alimentazione 1 piano di massa Meglio utilizzare
stack-up simmetrici per diminuire gli errori in fase di
fabbricazione ed un numero pari di layer
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Schede multistrato: processo di fabbricazione 1.Set-up
2.Imaging 3.Etching 4.Multilayer pressing 5.Drilling 6.Plating
7.Masking 8.Board finishing 9.Silk screening 10.Route 11.Quality
control 12.Electrical test IMAGING Il processo di imaging consiste
nellincidere sullo strato di resist (rivestimento protettivo che
aderisce al rame), limmagine del file Gerber contenente la
struttura geometrica dei collegamenti del circuito. Tale processo
pu essere di tipo diretto o indiretto. Direct imagingIndirect
imaging
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Schede multistrato: processo di fabbricazione 1.Set-up
2.Imaging 3.Etching 4.Multilayer pressing 5.Drilling 6.Plating
7.Masking 8.Board finishing 9.Silk screening 10.Route 11.Quality
control 12.Electrical test IMAGING Il processo di imaging consiste
nellincidere sullo strato di resist (rivestimento protettivo che
aderisce al rame), limmagine del file Gerber contenente la
struttura geometrica dei collegamenti del circuito. Tale processo
pu essere di tipo diretto o indiretto. Direct imagingIndirect
imaging ETCHING Il processo di etching consiste nelleliminare il
rame in eccesso in modo che restino solo i collegamenti del
circuito progettato. Dopo tale processo bisogner asportare lo
strato di resist ancora presente (resist stripping). ETCHING
CHIMICO (viene asportato il rame in eccesso mediante lazione di un
acido) problemi di etch factor PLASMA/LASER ETCHING (metodo pi
nuovo) elimina i problemi di etch factor e gli errori di
imaging
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Schede multistrato: processo di fabbricazione 1.Set-up
2.Imaging 3.Etching 4.Multilayer pressing 5.Drilling 6.Plating
7.Masking 8.Board finishing 9.Silk screening 10.Route 11.Quality
control 12.Electrical test MULTILAYER PRESSING Questo step permette
di allineare e soprattutto unire, mediante una pressione termica,
il blocco rame inciso+dielettrico al materiale pre-preg e a due
strati detti di rame copper foil che verranno successivamente
incisi. Alta precisione richiesta per ottenere un allineamento
perfetto tra tutti gli strati Sistemi di ispezione ottica
automatica AOI
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Schede multistrato: processo di fabbricazione 1.Set-up
2.Imaging 3.Etching 4.Multilayer pressing 5.Drilling 6.Plating
7.Masking 8.Board finishing 9.Silk screening 10.Route 11.Quality
control 12.Electrical test MULTILAYER PRESSING Questo step permette
di allineare e soprattutto unire, mediante una pressione termica,
il blocco rame inciso+dielettrico al materiale pre-preg e a due
strati detti di rame copper foil che verranno successivamente
incisi. DRILLING Una volta che tutti gli strati sono stati
pressati, si passa alla creazione dei fori. In questa fase vi un
limite sulle dimensioni dei fori che si possono fare, in base allo
spessore della scheda. Pi sottile la scheda, pi piccoli sono i fori
che si possono applicare. Tipicamente i fori sono eseguiti da una
macchina automatica con pi trivelli indipendenti.
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Schede multistrato: processo di fabbricazione Nella fase di
drilling si possono generare tipicamente 3 tipi di vias:
Microvia/blind via (da uno strato esterno ad uno strato interno)
Buried via (tra due strati interni) pi costoso Through Hole (da uno
strato esterno allaltro strato esterno) Per creare buried via
bisogna passare per la fase di pressione e di plating pi volte a
seconda della struttura di tutti i vias. I blind via o i PLTH si
possono effettuare dopo la pressione di tutti gli strati. Per
eseguire i via e in particolare i blind e i buried via oggi si
ricorre sempre pi alla tecnologia al laser (UV o CO2). La
tecnologia al laser permette di creare vias molto piccoli, fino a
20um (UV laser).
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Schede multistrato: processo di fabbricazione 1.Set-up
2.Imaging 3.Etching 4.Multilayer pressing 5.Drilling 6.Plating
7.Masking 8.Board finishing 9.Silk screening 10.Route 11.Quality
control 12.Electrical test PLATING In questa fase la scheda viene
placcata con uno strato di rame (copper plating). In particolare
vengono placcati i layer di rame esterni della scheda e tutti i
fori eseguiti in fase di drilling. I fori cos creati vengono detti
PLTH (plated thru- hole), e permettono i collegamenti tra i vari
layer di rame.
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Schede multistrato: processo di fabbricazione 1.Set-up
2.Imaging 3.Etching 4.Multilayer pressing 5.Drilling 6.Plating
7.Masking 8.Board finishing 9.Silk screening 10.Route 11.Quality
control 12.Electrical test PLATING MASKING Per proteggere le piste
da una eventuale ossidazione, si ricoprono con un materiale detto
solder flow, tipicamente utilizzando il processo chiamato SMOBC
(Solder Mask Over Bare Copper). Inoltre la scheda viene ricoperta
da un materiale protettivo che provvede a: Proteggere la scheda in
particolari condizioni ambientali Isola la scheda elettricamente
Blocca eventuali errori di saldatura sui pad Isola termicamente la
scheda dai componenti montati In questa fase la scheda viene
placcata con uno strato di rame (copper plating). In particolare
vengono placcati i layer di rame esterni della scheda e tutti i
fori eseguiti in fase di drilling. I fori cos creati vengono detti
PLTH (plated thru- hole), e permettono i collegamenti tra i vari
layer di rame.
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Schede multistrato: processo di fabbricazione 1.Set-up
2.Imaging 3.Etching 4.Multilayer pressing 5.Drilling 6.Plating
7.Masking 8.Board finishing 9.Silk screening 10.Route 11.Quality
control 12.Electrical test BOARD FINISHING A questo punto del
processo, solo i pad sono le uniche parti in rame che sono
scoperte. Per proteggere meglio i pad soprattutto in fase di
saldatura, essi vengono ricoperti con un sottile strato di
materiale saldante, solitamente utilizzando un processo HASL (Hot
Air Solder Level).
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Schede multistrato: processo di fabbricazione 1.Set-up
2.Imaging 3.Etching 4.Multilayer pressing 5.Drilling 6.Plating
7.Masking 8.Board finishing 9.Silk screening 10.Route 11.Quality
control 12.Electrical test BOARD FINISHING SILK SCREENING A questo
punto del processo, solo i pad sono le uniche parti in rame che
sono scoperte. Per proteggere meglio i pad soprattutto in fase di
saldatura, essi vengono ricoperti con un sottile strato di
materiale saldante, solitamente utilizzando un processo HASL (Hot
Air Solder Level). In questa fase vengono incisi serigraficamente
tutti i marker e i riferimenti dei componenti e collegamenti del
progetto.
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Schede multistrato: processo di fabbricazione 1.Set-up
2.Imaging 3.Etching 4.Multilayer pressing 5.Drilling 6.Plating
7.Masking 8.Board finishing 9.Silk screening 10.Route 11.Quality
control 12.Electrical test BOARD FINISHING SILK SCREENING ROUTE La
scheda quindi viene ritagliata da un pannello contenente pi schede
e viene creato lintero profilo Route meccanico Laser Route
(50500mm/s) A questo punto del processo, solo i pad sono le uniche
parti in rame che sono scoperte. Per proteggere meglio i pad
soprattutto in fase di saldatura, essi vengono ricoperti con un
sottile strato di materiale saldante, solitamente utilizzando un
processo HASL (Hot Air Solder Level). In questa fase vengono incisi
serigraficamente tutti i marker e i riferimenti dei componenti e
collegamenti del progetto.
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Schede multistrato: processo di fabbricazione 1.Set-up
2.Imaging 3.Etching 4.Multilayer pressing 5.Drilling 6.Plating
7.Masking 8.Board finishing 9.Silk screening 10.Route 11.Quality
control 12.Electrical test BOARD FINISHING SILK SCREENING ROUTE
QUALITY CONTROL Vengono verificate tutte le specifiche di progetto
e le richieste del committente. Si presta particolare attenzione ai
fori eseguiti attraverso i layer. A questo punto del processo, solo
i pad sono le uniche parti in rame che sono scoperte. Per
proteggere meglio i pad soprattutto in fase di saldatura, essi
vengono ricoperti con un sottile strato di materiale saldante,
solitamente utilizzando un processo HASL (Hot Air Solder Level). La
scheda quindi viene ritagliata da un pannello contenente pi schede
e viene creato lintero profilo Route meccanico Laser Route
(50500mm/s) In questa fase vengono incisi serigraficamente tutti i
marker e i riferimenti dei componenti e collegamenti del
progetto.
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Schede multistrato: processo di fabbricazione 1.Set-up
2.Imaging 3.Etching 4.Multilayer pressing 5.Drilling 6.Plating
7.Masking 8.Board finishing 9.Silk screening 10.Route 11.Quality
control 12.Electrical test BOARD FINISHING SILK SCREENING In questa
fase vengono incisi serigraficamente tutti i marker e i riferimenti
dei componenti e collegamenti del progetto. ROUTE QUALITY CONTROL
Vengono verificate tutte le specifiche di progetto e le richieste
del committente. Si presta particolare attenzione ai fori eseguiti
attraverso i layer. ELECTRICAL TEST Si eseguono test di tipo
elettrico su tutte le connessioni della scheda, tipicamente con
tensioni di 100V, in modo che vengano rilevati eventuali corti
indesiderati. A questo punto del processo, solo i pad sono le
uniche parti in rame che sono scoperte. Per proteggere meglio i pad
soprattutto in fase di saldatura, essi vengono ricoperti con un
sottile strato di materiale saldante, solitamente utilizzando un
processo HASL (Hot Air Solder Level). La scheda quindi viene
ritagliata da un pannello contenente pi schede e viene creato
lintero profilo Route meccanico Laser Route (50500mm/s)
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Schede multistrato: strumenti CAD La progettazione di schede
multistrato implementata in diverse soluzioni CAD: CADSOFT EAGLE
4.1 CADENCE ORCAD 10.3 AGILENT EESOF ADS 2004A ALTIUM DESIGNER 6.7
VISIONICS EDWINXP 1.50 EDA AUTOTRAX 8.60 MENTOR GRAPHICS EXPEDITION
ENTERPRISE ZUKEN CR5000 PROTEUS PROFESSIONAL PCB DESIGN NATIONAL
INSTRUMENTS MULTISIM POWER PRO EDITION Visualizzazione progetto su
pi layer (Altium) Visualizzazione 3D dei via (CR5000)
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Schede multistrato: prototipizzazione possibile fare
prototipizzazione di schede multistrato in tempi brevissimi,
utilizzando macchine specializzate. Una soluzione adatta a questo
proposito quella proposta da LPKF. In particolare utilizzando il
plotter della LPKF ProtoMat S100 possibile ottenere nel giro di 90
minuti le tracce sui layer. Si passa alla fase di pressione di
tutti i layer con lausilio della macchina LPKF MultiPress S che
ricorre ad una pressione di tipo idraulico. Infine effettuando
prima i fori con il plotter ProtoMat, si esegue il plating della
board, e in particolare dei fori, con il kit LPKF ProConduct.