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28 aprile 2024

Serigrafia su PCB: cos'è?

introduzione

Nell'elettronica, i circuiti stampati (PCB) costituiscono la spina dorsale della maggior parte dei dispositivi, fornendo supporto meccanico e collegamenti elettrici per vari componenti. Una parte integrante della funzionalità e del processo di assemblaggio del PCB è contrassegnata dallo strato serigrafato, una caratteristica che, nonostante la sua nomenclatura tradizionale, svolge un ruolo fondamentale nella moderna produzione elettronica.

Cos'è una serigrafia su un PCB?

La serigrafia su un PCB si riferisce allo strato di testo, simboli o grafica applicato su uno o entrambi i lati di un circuito stampato. Serve a molteplici scopi, come identificare le posizioni dei componenti, fornire istruzioni di assemblaggio o marchiare. Queste informazioni facilitano l'assemblaggio, il test e la riparazione accurati ed efficienti dei dispositivi elettronici.

La marcatura serigrafica consiste in:

  • Identificatori dei componenti: Etichette come "R1" per resistori o "C1" per condensatori indicano tipi e sequenze di componenti.
  • Contorni dei componenti: Contorni o simboli semplici che rappresentano la forma fisica e l'orientamento dei componenti.
  • Pin 1 o contrassegni di polarità: Si tratta di indicatori per l'orientamento dei componenti polarizzati, come diodi e condensatori, per evitare un posizionamento errato.
  • Punti di prova: Designazioni dei punti sulla scheda utilizzati durante i test per misurare livelli di tensione, segnali o continuità.
  • Loghi e marchi: Loghi aziendali o nomi di marchi per scopi identificativi e di marketing.
  • Simboli di avvertenza e istruzioni: Simboli o testo che indicano i livelli di tensione o le precauzioni necessarie per la manipolazione di determinati componenti.

Tipi di serigrafia PCB

L'applicazione della serigrafia sui PCB prevede varie tecniche, ciascuna con i propri vantaggi, limiti e applicazioni. 

1. Imaging fotografico liquido (LPI)

LPI prevede l'applicazione di un inchiostro liquido fotoimaging al PCB. L'inchiostro viene quindi esposto alla luce attraverso una fotomaschera e sviluppato per creare marcature precise e ad alta risoluzione.

Vantaggi:

  • Alta risoluzione: LPI può produrre dettagli fini e testo piccolo, rendendolo adatto a PCB con layout densi.
  • Durabilità: L'inchiostro utilizzato in LPI aderisce fortemente alla superficie del PCB ed è resistente allo sbiadimento, alle sbavature o al distacco, garantendo la longevità delle marcature.
  • Versatilità: Gli inchiostri LPI sono disponibili in vari colori, offrendo opzioni per i requisiti di progettazione.

Limitazioni:

  • Costo: LPI è generalmente più costosa della serigrafia tradizionale, il che la rende meno conveniente per le grandi tirature di produzione.
  • Complessità del processo: Il processo LPI prevede più fasi, tra cui la polimerizzazione e lo sviluppo, che possono prolungare i tempi di produzione.

2. Stampa diretta della legenda (DLP)

La stampa Direct Legend utilizza la tecnologia a getto d'inchiostro digitale per applicare l'inchiostro direttamente sulla superficie del PCB, guidato dai dati CAD della scheda. Questo metodo elimina maschere o schermi fisici, consentendo modifiche progettuali rapide e flessibili.

Vantaggi:

  • Flessibilità: DLP può facilmente accogliere modifiche di progettazione senza richiedere nuove maschere fisiche, rendendolo ideale per prototipi o piccole serie di produzione.
  • Velocità: La natura digitale del DLP consente tempi di produzione più rapidi rispetto ai metodi tradizionali che richiedono la preparazione delle maschere.
  • Considerazioni ambientali: La DLP è un'opzione più rispettosa dell'ambiente. Riduce gli sprechi eliminando la necessità di mascherine e schermi.

Limitazioni:

  • Adesione dell'inchiostro: A seconda del materiale PCB e dell'inchiostro utilizzato, il DLP potrebbe presentare problemi di adesione dell'inchiostro, richiedendo una preparazione della superficie o formulazioni specifiche dell'inchiostro.
  • Costo dell'attrezzatura: L’investimento iniziale nelle apparecchiature di stampa digitale a getto d’inchiostro può essere superiore rispetto alle tradizionali configurazioni di serigrafia.

3. Serigrafia manuale

La serigrafia manuale è il metodo tradizionale per applicare la serigrafia ai PCB. Si tratta di creare uno stencil o uno schermo con il disegno desiderato e quindi premere l'inchiostro attraverso la rete dello schermo sulla superficie del PCB utilizzando una spatola. Lo schermo presenta zone impermeabili all'inchiostro, che definiscono il disegno serigrafico.

Vantaggi:

  • Efficacia dei costi: La serigrafia manuale può essere più economica per cicli di produzione di grandi volumi grazie alla natura riutilizzabile dei telai.
  • Compatibilità dei materiali: La serigrafia manuale può essere utilizzata con vari tipi di inchiostri, adattandosi a vari materiali e applicazioni PCB.

Limitazioni:

  • Risoluzione: Questo metodo potrebbe non raggiungere i dettagli precisi possibili con LPI o DLP, rendendolo meno adatto a PCB con componenti molto piccoli o layout ad alta densità.
  • Consistenza: Gli aspetti del processo di serigrafia manuale possono portare alla variabilità dello spessore dell'inchiostro e alla chiarezza del design su più PCB.

Diversi metodi per creare serigrafie PCB

  • Serigrafia: Il metodo convenzionale prevede la creazione di uno stencil con i contrassegni desiderati e l'utilizzo di una spatola per spingere l'inchiostro attraverso lo stencil sul PCB. Questo metodo è più adatto per produzioni di grandi volumi.
  • Stampa a getto d'inchiostro: Un approccio più moderno in cui l'inchiostro viene spruzzato digitalmente sul PCB, consentendo elevata precisione e flessibilità nelle modifiche alla progettazione. E' ideale per prototipi e piccoli lotti.
  • Stampa laser: Anche se meno comune, la stampa laser prevede l'utilizzo di un laser per incidere il disegno serigrafato direttamente sulla superficie del PCB. Questo metodo fornisce un'alta risoluzione ma può essere più costoso.

Vantaggi dell'utilizzo della serigrafia su un PCB

L'integrazione della serigrafia sui circuiti stampati (PCB) apporta numerosi vantaggi, migliorando sia il processo di produzione che la funzionalità del dispositivo elettronico finale. 

  • Maggiore precisione di assemblaggio: I contrassegni serigrafici guidano il posizionamento e l'orientamento accurati dei componenti, riducendo gli errori di assemblaggio.
  • Test e risoluzione dei problemi facilitati: Il PCB è stato contrassegnato con punti di test e aree critiche per semplificare l'identificazione durante i test e la risoluzione dei problemi.
  • Manutenzione e funzionalità migliorate: L'etichettatura chiara di componenti e connettori facilita le attività di manutenzione e riparazione.
  • Maggiore sicurezza: I simboli di avvertenza e le istruzioni informano gli utenti dei potenziali pericoli, migliorando la sicurezza.
  • Visibilità e tracciabilità del marchio: Loghi e numeri di parte sulla serigrafia migliorano il riconoscimento del marchio e facilitano la tracciabilità del PCB.
  • Efficienza dei costi: Silkscreen contribuisce al risparmio sui costi semplificando i processi di assemblaggio e test.
  • Attrazione estetica: La serigrafia può migliorare l'aspetto visivo del PCB, il che può essere auspicabile nelle applicazioni rivolte al consumatore.

Processo di serigrafia PCB

L'applicazione di una serigrafia a un circuito stampato (PCB) è un passaggio fondamentale nel processo di produzione. Aggiunge informazioni e segni preziosi alla superficie della tavola. Questo processo aiuta nell'assemblaggio e nell'ispezione del PCB, nonché nella sua identificazione e finitura estetica. 

1. Preparazione del progetto

Il processo di progettazione serigrafica è parte integrante della progettazione del layout PCB, solitamente eseguito utilizzando software di progettazione PCB specializzato. I progettisti devono posizionare meticolosamente testo e simboli per indicare posizioni, nomi e orientamenti dei componenti senza ingombrare la scheda o oscurare pad e tracce. Le considerazioni includono:

  • Selezione del carattere: Scegliere una dimensione del carattere che sia leggibile ma sufficientemente compatta da adattarsi agli spazi disponibili. La dimensione minima del testo standard del settore è in genere di circa 1 mm di altezza, ma può variare in base alle capacità del produttore e alla complessità della scheda.
  • Standardizzazione dei simboli: Utilizzo di simboli universalmente riconosciuti per polarità, messa a terra e altre caratteristiche elettriche per garantire chiarezza ed evitare confusione.

2. Selezione del metodo serigrafico

La scelta tra serigrafia, stampa a getto d'inchiostro o incisione laser dipende da diversi fattori:

  • Volume ed efficienza: La stampa serigrafica è conveniente per grandi tirature, mentre la stampa a getto d'inchiostro offre flessibilità ed efficienza per prototipi e piccoli lotti.
  • Requisiti di risoluzione: Per le schede che richiedono dettagli elevati, come quelle con componenti piccoli o layout densi, l'incisione a getto d'inchiostro o laser fornisce una risoluzione superiore.
  • Considerazioni sui materiali: La scelta del materiale del substrato e la durabilità richiesta della serigrafia possono dettare il metodo di applicazione migliore.

3. Preparazione della superficie del PCB

Un'adeguata preparazione della superficie garantisce un'adesione ottimale dell'inchiostro e la longevità delle marcature serigrafiche:

  • Pulizia della superficie: Solventi chimici o spazzole meccaniche rimuovono i residui che potrebbero impedire l'adesione dell'inchiostro.
  • Promozione dell'adesione: In alcuni casi, l'applicazione di un primer o di un promotore di adesione può migliorare il legame tra l'inchiostro e il materiale PCB, soprattutto per le superfici su cui è difficile stampare direttamente.

4. Applicazione dell'inchiostro

Le specifiche dell'applicazione dell'inchiostro variano in modo significativo tra i metodi:

Per la stampa serigrafica:

  • Preparazione dello schermo: Crea uno schermo a maglie in cui parti della maglia sono bloccate per formare il disegno. Lo schermo deve essere accuratamente allineato sul PCB.
  • Consistenza dell'inchiostro: La viscosità dell'inchiostro deve essere adatta alla dimensione della maglia del retino e alla complessità del disegno.

Per la stampa a getto d'inchiostro:

  • Configurazione digitale: Traduzione del disegno serigrafico in un formato compatibile con la stampante a getto d'inchiostro, garantendo che tutti i dettagli siano riprodotti accuratamente.
  • Calibrazione del getto d'inchiostro: Regolare le impostazioni della stampante per il flusso di inchiostro e la dimensione delle gocce in modo che corrispondano alla superficie del PCB e al tipo di inchiostro.

Per la stampa laser:

  • Applicazione dei livelli: Applicazione di uno strato sensibile al laser sul PCB, che il laser rimuoverà selettivamente per creare il disegno.
  • Parametri laser: Regola la potenza, la velocità e la messa a fuoco del laser per ottenere linee pulite e prevenire danni al PCB.

5. Indurimento dell'inchiostro

Diversi inchiostri e metodi di applicazione richiedono processi di polimerizzazione specifici per garantire la durata:

  • Indurimento a caldo: Utilizzo di forni o lampade a infrarossi per polimerizzare o indurire l'inchiostro. Parametri come la temperatura e il tempo devono essere controllati con precisione.
  • Polimerizzazione UV: Per gli inchiostri essiccabili agli UV, l'inchiostro viene esposto alla luce UV di lunghezze d'onda specifiche per avviare una reazione fotochimica che lo indurisce.

6. Ispezione

Tecniche di ispezione avanzate garantiscono la massima qualità dello strato serigrafico:

  • Ispezione ottica automatizzata (AOI): Macchine dotate di telecamere ad alta risoluzione e software di elaborazione delle immagini per rilevare difetti o deviazioni dal progetto.
  • Ispezione manuale: In alcuni casi, soprattutto per schede a basso volume o prototipi, un'ispezione manuale dettagliata da parte di personale esperto può integrare o sostituire l'AOI.

Considerazioni sulla progettazione per la serigrafia PCB:

  • Leggibilità: La dimensione e lo stile del carattere devono essere scelti in modo da garantire che tutte le indicazioni siano facilmente leggibili.
  • Contrasto: Il colore dell'inchiostro dovrebbe contrastare con lo sfondo del PCB per migliorare la visibilità.
  • Posizionamento: È necessario prestare attenzione per evitare di posizionare contrassegni serigrafati su vie, pad o aree che influiscono sul posizionamento o sulla saldatura dei componenti.
  • Durabilità: L'inchiostro e il processo di polimerizzazione devono essere selezionati in base all'ambiente in cui opererà il PCB per garantire che la serigrafia rimanga intatta per tutta la durata del prodotto.

Conclusione

Anche se spesso trascurato nelle discussioni sulla progettazione e produzione di PCB, lo strato serigrafato svolge un ruolo fondamentale nel garantire la funzionalità, la precisione dell'assemblaggio e la longevità dei dispositivi elettronici. 

Con i progressi nella tecnologia di stampa, la creazione di serigrafie efficaci e informative è diventata più accessibile. Ciò consente processi di produzione più efficienti e prodotti elettronici di qualità superiore.

Articolo scritto da Alice Lee

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