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
Studente:
Marco Lisi
Relatore:
Prof. Bruno Riccò
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.
•Occupazione area
minore
•Prestazioni
migliori
•Migliore controllo
su EMI
Applicazioni:
•Telefonia mobile
•Sistemi di
telecomunicazioni
•Periferiche LCD
•Bluetooth
•Applicazioni varie
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
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, IPC6012 .
•Vengono scelti i materiali per il core e gli
strati pre-preg riferendosi ai materiali IPC4101 (ad esempio nel caso di laser drilling
si usano dielettrici particolari)
Core stack-up
•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
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)
•10 layer
•10 layer
•2 layer utilizzabili per
microstrisce (micro-strip)
•2 layer utilizzabili per microstrisce
(micro-strip)
•1 layer di alimentazione
•4 layer disponibili per piste
strip-line asimmetriche
•4 layer disponibili per piste stripline asimmetriche
•1 piano di massa
•1 layer di alimentazione
•1 layer di alimentazione digitale
•3 piani di massa
•2 layer per segnali analogici
•2 layer disponibili per microstrip buried
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
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
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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
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Schede multistrato: processo di fabbricazione
Set-up
Imaging
Etching
Multilayer pressing
Drilling
Plating
Masking
Board finishing
Silk screening
Route
Quality control
Electrical test
Alta precisione richiesta per
ottenere un allineamento
perfetto tra tutti gli strati
Sistemi di ispezione ottica
automatica AOI
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.
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Schede multistrato: processo di fabbricazione
Set-up
Imaging
Etching
Multilayer pressing
Drilling
Plating
Masking
Board finishing
Silk screening
Route
Quality control
Electrical test
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.
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.
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).
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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 thruhole), e permettono i collegamenti tra i vari layer di rame.
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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 thruhole), e permettono i collegamenti tra i vari layer di rame.
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
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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).
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Schede multistrato: processo di fabbricazione
Set-up
Imaging
Etching
Multilayer pressing
Drilling
Plating
Masking
Board finishing
Silk screening
Route
Quality control
Electrical test
SILK SCREENING
In questa fase vengono incisi
serigraficamente tutti i marker
e i riferimenti dei componenti e
collegamenti del progetto.
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
Set-up
Imaging
Etching
Multilayer pressing
Drilling
Plating
Masking
Board finishing
Silk screening
Route
Quality control
Electrical test
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)
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
Set-up
Imaging
Etching
Multilayer pressing
Drilling
Plating
Masking
Board finishing
Silk screening
Route
Quality control
Electrical test
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)
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).
QUALITY CONTROL
Vengono verificate tutte le specifiche di progetto e le richieste del
committente. Si presta particolare attenzione ai fori eseguiti attraverso i layer.
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Schede multistrato: processo di fabbricazione
Set-up
Imaging
Etching
Multilayer pressing
Drilling
Plating
Masking
Board finishing
Silk screening
Route
Quality control
Electrical test
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)
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).
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.
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
Visualizzazione progetto su più layer (Altium)
EDA AUTOTRAX 8.60
MENTOR
GRAPHICS
ENTERPRISE
EXPEDITION
ZUKEN CR5000
PROTEUS PROFESSIONAL PCB DESIGN
NATIONAL INSTRUMENTS
POWER PRO EDITION
MULTISIM
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.
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.
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.