Tecnologia delle schede multistrato Università degli Studi di Bologna Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica Corso in Sistemi a Microprocessore LS AA. 2006 – 2007 Tecnologia delle schede multistrato Relatore: Prof. Bruno Riccò Studente: Marco Lisi

Cos’è una PCB? PCB: Printed Circuit Board è utilizzata per creare connessioni tra compontenti elettronici come ad esempio: resistenze, circuiti integrati e connettori è 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

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, più 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 più strati di rame, anche fino a 40 nelle più moderne tecnologie. Applicazioni: Telefonia mobile Sistemi di telecomunicazioni Periferiche LCD Bluetooth Applicazioni varie Occupazione area minore Prestazioni migliori Migliore controllo su EMI

Schede multistrato: processo di fabbricazione Gli step di base di un processo di fabbricazione multistrato sono 12: Set-up Imaging Etching Multilayer pressing Drilling Plating Masking Board finishing Silk screening Route Quality control Electrical test

Schede multistrato: processo di fabbricazione Set-up Imaging Etching Multilayer pressing Drilling Plating Masking Board finishing Silk screening Route Quality control Electrical test SET-UP La fase di set-up consiste nella scelta dei materiali, dei processi e dei requisiti. Viene definita la qualità e l'affidabilità 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

Schede multistrato: processo di fabbricazione Nell’ambito di applicazioni ad alta frequenza di funzionamento esempi di stack-up possono essere: 6 layer 2 layer utilizzabili per microstrisce (micro-strip) 2 layer disponibili per micro-strip buried 1 layer di alimentazione 1 piano di massa 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 Meglio utilizzare stack-up simmetrici per diminuire gli errori in fase di fabbricazione ed un numero pari di layer

Schede multistrato: processo di fabbricazione Set-up Imaging Etching Multilayer pressing Drilling Plating Masking Board finishing Silk screening Route Quality control Electrical test IMAGING Il processo di imaging consiste nell’incidere sullo strato di resist (rivestimento protettivo che aderisce al rame), l’immagine del file Gerber contenente la struttura geometrica dei collegamenti del circuito. Tale processo può essere di tipo diretto o indiretto. Direct imaging Indirect imaging

Schede multistrato: processo di fabbricazione Set-up Imaging Etching Multilayer pressing Drilling Plating Masking Board finishing Silk screening Route Quality control Electrical test IMAGING Il processo di imaging consiste nell’incidere sullo strato di resist (rivestimento protettivo che aderisce al rame), l’immagine del file Gerber contenente la struttura geometrica dei collegamenti del circuito. Tale processo può essere di tipo diretto o indiretto. Direct imaging Indirect imaging ETCHING Il processo di etching consiste nell’eliminare il rame in eccesso in modo che restino solo i collegamenti del circuito progettato. Dopo tale processo bisognerà asportare lo strato di resist ancora presente (resist stripping). ETCHING CHIMICO (viene asportato il rame in eccesso mediante l’azione di un acido)  problemi di “etch factor” PLASMA/LASER ETCHING (metodo più nuovo) elimina i problemi di “etch factor” e gli errori di imaging

Schede multistrato: processo di fabbricazione Set-up Imaging Etching Multilayer pressing Drilling Plating Masking Board finishing Silk screening Route Quality control 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

Schede multistrato: processo di fabbricazione Set-up Imaging Etching Multilayer pressing Drilling Plating Masking Board finishing Silk screening Route Quality control 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 è un limite sulle dimensioni dei fori che si possono fare, in base allo spessore della scheda. Più sottile è la scheda, più piccoli sono i fori che si possono applicare. Tipicamente i fori sono eseguiti da una macchina automatica con più trivelli indipendenti.

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) più costoso Through Hole (da uno strato esterno all’altro strato esterno) Per creare buried via bisogna passare per la fase di pressione e di plating più 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 più alla tecnologia al laser (UV o CO2). La tecnologia al laser permette di creare vias molto piccoli, fino a 20um (UV laser).

Schede multistrato: processo di fabbricazione Set-up Imaging Etching Multilayer pressing Drilling Plating Masking Board finishing Silk screening Route Quality control 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 così creati vengono detti PLTH (plated thru-hole), e permettono i collegamenti tra i vari layer di rame.

Schede multistrato: processo di fabbricazione Set-up Imaging Etching Multilayer pressing Drilling Plating Masking Board finishing Silk screening Route Quality control 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 così creati vengono detti PLTH (plated thru-hole), e permettono i collegamenti tra i vari layer di rame. MASKING 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 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).

Schede multistrato: processo di fabbricazione Set-up Imaging Etching Multilayer pressing Drilling Plating Masking Board finishing Silk screening Route Quality control 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).

Schede multistrato: processo di fabbricazione Set-up Imaging Etching Multilayer pressing Drilling Plating Masking Board finishing Silk screening Route Quality control 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). SILK SCREENING In questa fase vengono incisi serigraficamente tutti i marker e i riferimenti dei componenti e collegamenti del progetto.

Schede multistrato: processo di fabbricazione Set-up Imaging Etching Multilayer pressing Drilling Plating Masking Board finishing Silk screening Route Quality control 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). SILK SCREENING In questa fase vengono incisi serigraficamente tutti i marker e i riferimenti dei componenti e collegamenti del progetto. ROUTE La scheda quindi viene ritagliata da un pannello contenente più schede e viene creato l’intero profilo Route meccanico Laser Route (50÷500mm/s)

Schede multistrato: processo di fabbricazione Set-up Imaging Etching Multilayer pressing Drilling Plating Masking Board finishing Silk screening Route Quality control 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). SILK SCREENING QUALITY CONTROL In questa fase vengono incisi serigraficamente tutti i marker e i riferimenti dei componenti e collegamenti del progetto. Vengono verificate tutte le specifiche di progetto e le richieste del committente. Si presta particolare attenzione ai fori eseguiti attraverso i layer. ROUTE La scheda quindi viene ritagliata da un pannello contenente più schede e viene creato l’intero profilo Route meccanico Laser Route (50÷500mm/s)

Schede multistrato: processo di fabbricazione Set-up Imaging Etching Multilayer pressing Drilling Plating Masking Board finishing Silk screening Route Quality control 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). SILK SCREENING QUALITY CONTROL In questa fase vengono incisi serigraficamente tutti i marker e i riferimenti dei componenti e collegamenti del progetto. 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. ROUTE La scheda quindi viene ritagliata da un pannello contenente più schede e viene creato l’intero profilo Route meccanico Laser Route (50÷500mm/s)

Schede multistrato: strumenti CAD La progettazione di schede multistrato è 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 più layer (Altium) Visualizzazione 3D dei via (CR5000)

Schede multistrato: prototipizzazione È possibile fare prototipizzazione di schede multistrato in tempi brevissimi, utilizzando macchine specializzate. Una soluzione adatta a questo proposito è quella proposta da LPKF. 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. In particolare utilizzando il plotter della LPKF ProtoMat S100 è possibile ottenere nel giro di 90 minuti le tracce sui layer. Si passa alla fase di pressione di tutti i layer con l’ausilio della macchina LPKF MultiPress S che ricorre ad una pressione di tipo idraulico.