Thin printed circuit board with accessibility on both sides and related production method

Abstract

A printed circuit board (100), of the double-sided type, comprises a single sheet of conductive material (3), etched with conductive tracks (32) and sandwiched between a first sheet (2) of insulating material and a second sheet (4) of insulating material; the first sheet (2) of insulating material and the second sheet (4) of insulating material having openings (25; 45) to allow access to the sheet (3) of conductive material at areas which in the printed circuit board (100) must be uncovered areas intended for soldering electronic components or connections to external circuits on the upper face (F1) and on the lower face (F2) of the printed circuit board (100); the conductive material sheet (3) and the first and second material sheets (2, 4) are thin flexible sheets, so as to obtain a thin flexible printed circuit board.

Description

[0001]CIRCUITO STAMPATO SOTTILE CON ACCESSIBILITA’ SU ENTRAMBE LE FACCE E RELATIVO METODO DI PRODUZIONE DESCRIZIONE La presente invenzione si riferisce al settore dei circuiti stampati a doppia faccia, cioè un circuito stampato che ha due facce sulle quali possono essere saldati componenti elettronici o realizzate connessioni verso circuiti esterni. La presente invenzione si riferisce in particolare ad un circuito stampato avente un solo strato conduttore accessibile da entrambe le facce del circuito stampato, e ad un metodo di produzione di un tale circuito stampato. Nei circuiti stampati c’è la necessità di collegare tra loro almeno un componente elettronico ad almeno una connessione esterna. Generalmente è necessario collegare centinaia o addirittura migliaia di componenti tra loro e verso connessioni esterne, secondo uno schema elettrico prefissato. Lo stato dell’arte, in questo settore, prevede tipicamente la realizzazione di un circuito stampato multistrato, costituito da un’alternanza di strati isolanti e conduttori, pressati tra loro, in cui le connessioni tra i vari strati conduttori sono realizzate mediante fori o passanti o ciechi, internamente metallizzati mediante un procedimento noto all’esperto del settore. Questa tecnica presenta il vantaggio di consentire l'interconnessione di un elevato numero di componenti elettronici con una rete, anche molto complessa, di connessioni costituenti un circuito funzionale o un modulo di un’apparecchiatura. Un secondo caso è quello dei circuiti destinati a condurre flussi di corrente relativamente elevati, dove la necessità di avere accesso agli strati conduttori da entrambe le facce del circuito stampato viene solitamente risolta con l’uso di almeno due strati conduttori di rame posti sulle facce esterne, connessi da un elevato numero di fori di interconnessione metallizzati. La tecnica esistente comporta anche una serie di svantaggi, tra i quali la complessità del procedimento che prevede decine di fasi di laminazione, incisione, pressatura, foratura, metallizzazione, serigrafia, scontorno, ecc.. Inoltre il circuito ottenuto è rigido e la metallizzazione interna dei fori di interconnessione è fragile e difficile da controllare. Secondo lo stato dell’arte, il circuito è realizzato partendo da un laminato in materiale epossidico caricato con fibra di vetro su cui vengono laminati due strati di rame sulle facce opposte; dopo un’incisione che realizza percorsi conduttivi su tali strati di rame, possono essere aggiunti ulteriori strati isolanti e conduttori, terminando con due strati conduttori esterni sui quali vengono montati i componenti elettronici e realizzate le connessioni. Con riferimento a Fig.1 il circuito stampato (1) è realizzato partendo da un foglio (10) di materiale isolante che funge da supporto su cui sono laminati due fogli (11, 12) di materiale conduttore. I fogli (11, 12) di materiale conduttore tipicamente sono costituiti da rame ricotto, ma in alcuni casi possono essere costituiti da altri tipi di metallo. Con riferimento a Fig.2, nel circuito stampato (1) viene eseguito almeno un foro passante (13). Con riferimento a Fig. 3, i due fogli (11, 12) di materiale conduttore vengono messi elettricamente in connessione, mediante una metallizzazione (14) delle pareti interne del foro passante (13). Successivamente il circuito stampato (1) viene sottoposto a processi di mascheratura per via serigrafica o fotografica e sui due fogli (11, 12) di materiale conduttore vengono incise piste conduttive, secondo uno schema di collegamento desiderato. Con riferimento a Fig. 4, infine è mostrato che, dopo l’incisione delle piste conduttive sui due fogli (11, 12) di materiale conduttore, possono essere opzionalmente depositati altri due strati (15, 16) di materiale isolante con funzioni protettive, lasciando scoperte aree (17, 18) di materiale conduttore, su cui eseguire una saldatura di componenti elettronici o connessioni verso altri circuiti. Questo procedimento noto comporta una sequenza di fasi di lavorazione chimica e galvanica con notevole impatto ecologico e quindi la necessità di depurazione e recupero o smaltimento dei residui, con costi che incidono notevolmente sull’intero processo. Le connessioni dei componenti elettronici e le connessioni verso l’esterno vengono tipicamente realizzate mediante brasatura dolce con lega a base di stagno, con vari metodi che possono essere manuali o automatici, in particolare brasatura ad onda, ad onda selettiva, oppure mediante la rifusione di una pasta saldante depositata per serigrafia, oppure mediante incollaggio con resine conduttive. Nella pluralità delle applicazioni pratiche non sempre è richiesta una tale elevata complessità di un circuito stampato. Esistono applicazioni in cui un circuito stampato deve ospitare pochi componenti, pur avendo, per motivi geometrici, una dimensione relativamente ampia. In tale caso si è costretti ad utilizzare una tecnologia relativamente costosa su un prodotto di grandi dimensioni, senza il reale bisogno di una elevata complessità. Esempi di questi casi possono essere i circuiti stampati utilizzati per connettere terminazioni di celle solari fotovoltaiche, oppure circuiti stampati posti dietro cruscotti di apparecchiature. In questi casi, il circuito stampato ha dimensioni geometriche dettate da esigenze meccaniche o estetiche, ma è destinato ad ospitare pochi componenti e connessioni per unità di superficie. Spesso in questo tipo di applicazione, per realizzare relativamente poche connessioni su un’ampia superficie, durante la fase di incisione viene eliminata la maggior parte della superficie di rame, sprecando quindi un materiale molto costoso. US3072734A (Fox et al., 1963) e US2613252 (Heibel, 1952) descrivono un circuito stampato a doppia faccia avente un foglio di materiale conduttore disposto a sandwich tra due fogli di materiale isolante. Il foglio di materiale conduttore è un foglio rigido, di elevato spessore, in cui sono ricavati fori e piste per tranciatura di parti del foglio conduttore. Anche i fogli isolanti sono rigidi ed in essi sono ricavati fori per tranciatura meccanica. Come risultato si ottiene un circuito stampato rigido, cioè non flessibile, avente un elevato spessore. Inoltre il metodo di produzione di tale circuito, basato sulla tranciatura meccanica del foglio conduttore e dei fogli isolanti, è industrializzabile solo per grandi produzioni di massa ed a costi elevati, e non è adatto per circuiti miniaturizzati o con un disegno complesso di piste conduttive. AT273542B (Stillit, 1963) e NL 7601969 (Verlag, 1975) descrivono circuiti stampati per giochi. Tuttavia tali circuiti sono molto semplici realizzati per mezzo di stampi di tranciatura o fustellatura, in modo da generare semplicemente la comunicazione tra due pad del circuito per valutare nel gioco se la risposta è esatta o errata. Sicuramente tali circuiti stampati non sono destinati alla realizzazione di circuiti elettronici complessi, né tanto meno al montaggio di componenti elettronici. Scopo della presente invenzione è di eliminare gli inconvenienti della tecnica nota fornendo, un circuito stampato a doppia faccia che consenta di risparmiare il materiale metallico conduttore e che sia industrializzabile per produzioni di qualsiasi quantità, anche per campionature e piccole produzioni, ed adatto alla creazione di disegni complessi, alla miniaturizzazione del circuito stampato e al montaggio di componenti elettronici. Altro scopo è di fornire un tale metodo di produzione di un circuito stampato che sia semplice, rapido, efficiente ed affidabile. Questi scopi sono raggiunti in accordo all’invenzione con le caratteristiche delle annesse rivendicazioni indipendenti. Realizzazioni vantaggiose dell’invenzione appaiono dalle rivendicazioni dipendenti. La soluzione realizzativa proposta sostanzialmente inverte la sequenza di assemblaggio e lavorazione del circuito stampato, ponendo al centro del circuito stampato lo strato conduttore inciso e laminando gli strati isolanti su entrambe le facce dello strato conduttore. Il processo di lavorazione prevede le seguenti fasi: - preparazione di un primo foglio di materiale isolante, eseguendo forature e asolature necessarie ad esporre il materiale conduttore con cui sarà accoppiato il primo foglio di materiale isolante; - laminazione di un foglio di materiale conduttore, con il primo foglio di materiale isolante in modo da ottenere un accoppiato; - incisione del materiale conduttore per realizzare piste conduttrici secondo uno schema elettrico desiderato; - foratura dell’accoppiato, per realizzare fori passanti, destinati al montaggio di componenti elettronici; - preparazione di un secondo foglio di materiale isolante, eseguendo forature e asolature necessarie ad esporre il materiale conduttore; - montaggio del secondo foglio di materiale isolante sul foglio di materiale conduttore in modo che il foglio di materiale conduttore si trovi a sandwich tra il primo ed il secondo foglio di materiale isolante. La peculiarità dell’invenzione è rappresentata dal fatto che i fogli di materiale isolante sono film flessibili di spessore sottile e il foglio di materiale conduttore è un film flessibile di spessore sottile, in modo da ottenere un circuito stampato flessibile. Inoltre le piste conduttive del foglio di materiale conduttore sono realizzate mediante mascheratura serigrafica o fotografica, mediante incisione chimica di un disegno stampato sul foglio di materiale conduttore o su un film fotosensibile accoppiato sul foglio di materiale conduttore. In alternativa alla preventiva foratura ed asolatura è possibile l’incisione a mezzo ablazione laser di uno o entrambi i due fogli isolanti anche successivamente alla fase di accoppiamento, in modo da esporre il materiale conduttore, nel caso sia necessario esporre soltanto piccole aree del conduttore destinate alla saldatura di componenti elettronici oppure aree destinate a realizzare connessioni esterne, o realizzare modifiche al circuito stampato già accoppiato. Sono possibili eventuali trattamenti chimici o galvanici per realizzare il desiderato grado di protezione superficiale del materiale conduttore ed eventuale ulteriori lavorazioni di finitura, secondo le tecniche note. Ulteriori caratteristiche dell’invenzione appariranno più chiare dalla descrizione dettagliata che segue, riferita a una sua forma di realizzazione puramente esemplificativa e quindi non limitativa, illustrata nei disegni annessi, in cui: le Figg. 1, 2, 3 e 4 sono viste in sezione, illustranti quattro fasi di realizzazione di un circuito stampato a doppia faccia, secondo la tecnica nota; la Fig.5 è una vista in prospettiva, illustrante un primo foglio in materiale isolante, utilizzato per realizzare un circuito stampato secondo l’invenzione; la Fig. 6 è una vista in sezione del primo foglio in materiale isolante di Fig.5; la Fig. 7 è una vista in sezione illustrante il primo foglio di materiale isolante di Fig.6 accoppiato con un foglio in materiale conduttore; la Fig. 8 è una vista in prospettiva dell’accoppiato di Fig. 7 capovolto, illustrante l’incisione di piste conduttive sul foglio conduttore; la Fig.9 è una vista in prospettiva illustrante l’accoppiato di Fig.8 ed in esploso un secondo foglio di materiale isolante; la Fig.10 è una vista in sezione, illustrante un circuito stampato secondo l’invenzione ottenuto dall’accoppiamento illustrato in Fig.9; e la Fig.11 è una vista in sezione, illustrante un circuito stampato analogo a quello di Fig.10, in cui sono stati montati alcuni componenti elettronici. Con l’ausilio delle Figg. da 5 a 10 viene descritto il circuito stampato secondo l’invenzione, illustrato in Fig.10 ed indicato complessivamente con il numero di riferimento 100. In seguito i termini inferiore e superiore sono riferiti alla disposizione del circuito stampato (100) illustrata nella figura 10. Il circuito stampato (100) è a doppia faccia ed ha una faccia superiore (F1) ed una faccia inferiore (F2). Su ciascun faccia (F1, F2) del circuito stampato (100) devono essere montati componenti elettronici o connessioni verso circuiti esterni. Con riferimento alle Figg.5 e 6, per realizzare il circuito stampato (100) si parte da un primo foglio (2) di materiale isolante. Il primo foglio (2) di materiale isolante ha una faccia superiore (20) destinata ad essere rivolta verso l’esterno ed una faccia inferiore (21) opposta alla faccia superiore (20). Il primo foglio (2) di materiale isolante è un foglio flessibile avente uno spessore sottile compreso tra 12 e 250 µm. Il primo foglio (2) è in film di materiale polimerico quale ad esempio Polimide (PI), Poliestere (PL), Polietilene Tereftalato (PET), Polietilene Naftalato (PEN), Fluoruro di Polivinile (PVDF), Politetrafluoroetilene (PTFE). Nel primo foglio (2) di materiale isolante sono eseguite aperture (25) in corrispondenza di aree che nel circuito stampato (100) dovranno costituire aree scoperte destinate alla saldatura di componenti elettronici o connessioni verso circuiti esterni sulla faccia superiore (F1) del circuito stampato (100). Le aperture (25) possono comprendere fori (22) ed asole (23). Le aperture (25) possono essere fatte mediante lavorazione meccanica, incisione chimica o taglio laser. Vantaggiosamente le aperture (25) del primo foglio isolante possono essere fatte per incisione chimica, in modo da seguire un disegno in conformità alle piste conduttive del foglio conduttore (3). Con riferimento a Fig. 7, il primo foglio (2) di materiale isolante è accoppiato ad un foglio (3) di materiale conduttore in modo da ottenere un accoppiato (5). Le aperture (25) del primo foglio di materiale isolante rendono accessibile il foglio (3) di materiale conduttore dalla faccia superiore (F1) del circuito stampato. Il foglio di materiale conduttore (3) ha una faccia superiore (30) ed una faccia inferiore (31). Quindi la faccia inferiore (21) del primo foglio (2) di materiale isolante è accoppiata sulla faccia superiore (30) del foglio (3) di materiale conduttore. Il foglio di materiale conduttore (3) è un foglio flessibile avente uno spessore sottile compreso tra 17 e 105 µm. Il foglio di materiale conduttore (3) può essere un foglio di rame. Successivamente il foglio di materiale conduttore (3) viene inciso per creare piste conduttive (32). La Fig.8 illustra le piste conduttive (32) sulla faccia inferiore (21) del primo foglio di materiale isolante, ottenute mediante incisione del foglio di materiale conduttore (3). Le piste conduttive possono essere ottenute mediante processi, quali mascheratura per via serigrafica o fotografica, che consentano la realizzazione di disegni complessi e un processo di industrializzazione di massa del circuito stampato da ottenere. Ad esempio si può effettuare una stampa serigrafica del disegno delle piste conduttive (32) sul foglio di materiale conduttore (3) e successivamente un’incisione chimica del foglio di materiale conduttore (3) per mezzo di acidi o alcali forti. In alternativa alla stampa serigrafica, si può effettuare una laminazione di un film protettivo fotosensibile (fotoresist) sul foglio conduttore (3), con successiva esposizione del film fotosensibile ad un’immagine del circuito desiderato, con sviluppo del circuito sul film fotosensibile, per poter poi procedere ad un’incisione chimica del foglio di materiale conduttore (3) per mezzo di acidi o alcali forti, lasciando le piste conduttive (32). Con riferimento a Fig. 9, viene preparato un secondo foglio (4) di materiale isolante destinato ad essere accoppiato al foglio conduttore (3) dell’accoppiato (5). Il secondo foglio (4) di materiale isolante è un foglio flessibile avente uno spessore sottile compreso tra 12 e 250 µm. Il secondo foglio (4) di materiale isolante è un film di materiale polimerico quale ad esempio Polimide (PI), Poliestere (PL), Polietilene Tereftalato (PET), Polietilene Naftalato (PEN), Fluoruro di Polivinile (PVDF), Politetrafluoroetilene (PTFE). Il secondo foglio (4) di materiale isolante ha una faccia inferiore (41) destinata ad essere rivolta verso l’esterno ed una faccia superiore (40) opposta alla faccia inferiore (41). Nel secondo foglio (4) di materiale isolante sono eseguite aperture (45) per consentire l’accesso al foglio (3) di materiale conduttore in corrispondenza di aree che nel circuito stampato (100) dovranno costituire aree scoperte destinate alla saldatura di componenti elettronici o a connessioni verso circuiti esterni sulla faccia inferiore (F2) del circuito stampato (100). Le aperture (45) del secondo foglio (4) di materiale isolante possono comprendere fori (42) ed asole (43). Le aperture (45) del secondo foglio (4) di materiale isolante possono essere fatte mediante lavorazione meccanica, incisione chimica o taglio laser. Vantaggiosamente le aperture (45) del secondo foglio isolante possono essere fatte per incisione chimica, in modo da seguire un disegno in conformità alle piste conduttive del foglio conduttore (3). Con riferimento a Fig.10, la faccia superiore (40) del secondo foglio (2) di materiale isolante è accoppiata alla faccia inferiore (31) del foglio (3) di materiale conduttore. In questo modo, si ottiene un circuito stampato (100) di tipo flessibile, avente uno spessore sottile compreso tra 41 e 605 µm. Il foglio di materiale conduttore (3) ha fori passanti (33) disposti in modo da mettere in comunicazione aperture (25) del primo foglio di materiale isolante con rispettive aperture (45) del secondo foglio di materiale isolante.

Claims

I fori passanti (33) possono essere necessari per il montaggio di componenti elettronici o elettrici con piedini o reofori, ad esempio connettori. I fori passanti (33) del foglio conduttore possono essere realizzati mediante lavorazione meccanica, o taglio laser sull’accoppiato (5) o sul circuito stampato (100). La Fig. 10 illustra un esempio in cui alcuni fori (22) del primo foglio di materiale isolante, sono in corrispondenza di rispettivi fori (42) del secondo foglio di materiale isolante. In questo caso, nel foglio di materiale conduttore (3), oltre alle piste (32), sono stati realizzati i fori passanti (33) in corrispondenza dei fori (22) del primo foglio di materiale isolante e dei corrispondenti fori (42) del secondo foglio di materiale isolante. In taluni casi può essere vantaggioso realizzare le aperture (25, 45) mediante ablazione laser del primo foglio (2) o del secondo foglio (4) di materiale isolante in una fase successiva della realizzazione del circuito stampato (100) già accoppiato. La Fig.11 illustra il circuito stampato (100) che comprende: - un primo componente elettronico (C1) montato sulla prima faccia (F1) del circuito stampato (100), avente i terminali di connessione (61) posizionati in corrispondenza di due asole (23) del primo foglio di materiale isolante, e connesse al foglio di materiale conduttore (3) mediante giunti di saldatura (61’); - un secondo componente elettronico (C2) montato sulla seconda faccia (F2) del circuito stampato (100), avente i terminali di connessione (62) posizionati in corrispondenza di due asole (43) del secondo foglio di materiale isolante, e connesse al foglio di materiale conduttore (3) mediante giunti di saldatura (62’); - un terzo componente elettronico (C3) montato sulla prima faccia (F1) del circuito stampato, avente due piedini conduttori (63) inseriti in due fori (22) del primo foglio di materiale isolante, e connessi al foglio di materiale conduttore (3) mediante giunti di saldatura (64) posti sulla seconda faccia (F2) del circuito stampato (100), in corrispondenza di due fori (42) del secondo foglio di materiale isolante.Appaiono evidenti le differenze ed i vantaggi del circuito stampato (100) secondo l’invenzione rispetto al circuito stampato (1) della tecnica nota. Il circuito stampato (1) della tecnica nota ha un foglio (10) di materiale isolante interposto a sandwich tra due fogli conduttori (11, 12). Inoltre lo strato isolante (10) ha fori (13) con metallizzazione (14) per mettere in comunicazione i due fogli conduttori (11, 12). Come risultato un tale circuito stampato implica un notevole spreco di materiale metallico conduttore molto costoso. Il circuito stampato (100) secondo l’invenzione ha un solo foglio conduttore (3) interposto a sandwich tra due fogli isolanti (2, 4). Inoltre tale circuito stampato non richiede alcuna metallizzazione nelle aperture (25, 45) dei fogli isolanti. Come risultato un tale circuito stampato implica un notevole risparmio di materiale metallico conduttore molto costoso. Alla presente forma di realizzazione dell'invenzione, possono essere apportate variazioni e modifiche equivalenti, alla portata di un tecnico del ramo, che rientrano comunque entro l'ambito dell'invenzione espresso dalle rivendicazioni annesse.RIVENDICAZIONI 1. Circuito stampato (100), del tipo a doppia faccia, comprendente una faccia superiore (F1) ed una faccia inferiore (F2) destinate ad accogliere componenti elettronici o connessioni verso circuiti esterni; detto circuito stampato (100) comprendendo un solo foglio di materiale conduttore (3), inciso con piste conduttive (32) e disposto a sandwich tra un primo foglio (2) di materiale isolante ed un secondo foglio (3) di materiale isolante; detto primo foglio (2) di materiale isolante avendo aperture (25) per consentire l’accesso a detto foglio (3) di materiale conduttore in corrispondenza di aree che nel circuito stampato (100) dovranno costituire aree scoperte destinate alla saldatura di componenti elettronici o connessioni verso circuiti esterni sulla faccia superiore (F1) del circuito stampato (100); e detto secondo foglio (4) di materiale isolante avendo aperture (45) per consentire l’accesso a detto foglio (3) di materiale conduttore in corrispondenza di aree che nel circuito stampato (100) dovranno costituire aree scoperte destinate alla saldatura di componenti elettronici o a connessioni verso circuiti esterni sulla faccia inferiore (F2) del circuito stampato (100); caratterizzato dal fatto che detto foglio di materiale conduttore (3) è un foglio sottile flessibile e detti primo foglio (2) di materiale isolante e secondo foglio (4) di materiale isolante sono entrambi fogli sottili flessibili, in modo da ottenere un circuito stampato sottile flessibile; e dette piste conduttive (32) del foglio di materiale conduttore sono realizzate mediante incisione chimica di un disegno stampato sul foglio di materiale conduttore (3), mediante mascheratura serigrafica o stampato per via fotografica su un film fotosensibile accoppiato sul foglio di materiale conduttore (3).

2. Circuito stampato (100) secondo la rivendicazione 1, in cui il foglio di materiale conduttore (3) è un foglio flessibile avente uno spessore sottile compreso tra 17 e 105 µm;il primo foglio (2) di materiale isolante è un foglio flessibile avente uno spessore sottile compreso tra 12 e 250 µm; e il secondo foglio (4) di materiale isolante è un foglio flessibile avente uno spessore sottile compreso tra 12 e 250 µm.

3. Circuito stampato (100) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui dette aperture (25) del primo foglio di materiale isolante e dette aperture (45) del secondo foglio di materiale isolante sono ottenute per incisione chimica.

4. Circuito stampato (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette aperture (25) del primo foglio di materiale isolante comprendono fori (22) ed asole (23) e dette aperture (45) del secondo foglio di materiale isolante comprendono fori (42) ed asole (43).

5. Circuito stampato (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto foglio di materiale conduttore (3) ha fori passanti (33) disposti in modo da mettere in comunicazione aperture (25) del primo foglio di materiale isolante con rispettive aperture (45) del secondo foglio di materiale isolante.

6. Circuito stampato (100) secondo la rivendicazione 5, comprendente: - un primo componente elettronico (C1) montato sulla prima faccia (F1) del circuito stampato (100), avente terminali di connessione (61) posizionati in corrispondenza di due asole (23) del primo foglio di materiale isolante, e connessi al foglio di materiale conduttore (3) mediante giunti di saldatura (61’); - un secondo componente elettronico (C2) montato sulla seconda faccia (F2) del circuito stampato (100), avente terminali di connessione (62) posizionati in corrispondenza di due asole (43) del secondo foglio di materiale isolante, e connessi al foglio di materiale conduttore (3) mediante giunti di saldatura (62’); - un terzo componente elettronico (C3) montato sulla prima faccia (F1) del circuito stampato, avente due piedini conduttori (63) inseriti in due fori (22) del primo foglio di materiale isolante, e connessi al foglio di materiale conduttore (3) mediante giunti di saldatura (64) posti sulla seconda faccia (F2) del circuito stampato (100), in corrispondenza di due fori (42) del secondo foglio di materiale isolante.

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