OTTIMIZZAZIONE DEL PROCESSO DI STAMPA E ASSEMBLAGGIO DI CIRCUITI FLESSIBILI IN SERIGRAFIA

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I

NTRODUZIONE

Questo lavoro di tesi si è svolto nell’ambito di una collaborazione con l’azienda Chiaramonti s.r.l., storica serigrafia industriale pratese, che essendo entrata da poco nel settore dell’elettronica stampata, ha ritenuto utile potersi avvalere della collaborazione di un tesista. Il connubio nasce quindi dalla duplice esigenza di continuare il processo di sviluppo di un prodotto elettronico da un lato, e analizzare quelle che fossero le possibilità dell’azienda di evolversi quale produttrice di circuiti stampati più complessi dall’altro, mantenendo sostanzialmente l’assetto e l’organico preesistenti.

Questo ambizioso progetto, ha richiesto un lungo periodo di cooperazione, che si è concretizzato nel mio inserimento all’interno dello staff aziendale; inizialmente come semplice collaboratore e successivamente come responsabile della nascente divisione elettronica di Chiaramonti.

Ovviamente il primo passo è stato l’avvicinamento al mondo della produzione attraverso lo studio della realtà in cui mi stavo inserendo. In una prima fase mi sono interessato infatti, del processo industriale impiegato, e della tecnica serigrafica in generale. Per conoscere quanto più possibile di queste materie, mi sono relazionato con tutte le figure professionali coinvolte, dal progettista all’operatore, il che mi ha consentito di apprendere sul campo, le nozioni che avevo acquisito consultando il manuale.

Successivamente sono passato allo studio dei principali materiali impiegati per produrre le Tastiere a Membrana, ancora in fase di sperimentazione. Questo periodo è stato caratterizzato da una fase di ricerca, che ha portato all’individuazione dei componenti che avrebbero consentito di ottimizzare il prodotto, e dei fornitori corrispondenti alle nostre esigenze. E’ stato ovviamente necessario interfacciarmi

2 con diverse figure sia interne all’azienda (direzione e responsabile acquisti), che esterne (personale tecnico delle ditte fornitrici).

A questo punto mi sono dedicato alla progettazione e successiva sperimentazione. Quindi ho preso confidenza con i CAD disponibili in azienda, da impiegare non solo per la realizzazione dei lay-out circuitali, ma anche per la definizione delle molteplici lavorazioni meccaniche. Ho appreso in questo modo come generare i file necessari alle macchine a controllo numerico, e mi sono confrontato con gli addetti alla produzione, che stavano completando il training per sviluppare il nuovo prodotto.

Le fasi successive, hanno riguardato principalmente la definizione di metodologie costruttive che permettessero di ottenere l’affidabilità cercata, non trascurando comunque l’aspetto delle tempistiche, fondamentale per garantire l’economicità del prodotto. E’ stato questo un periodo di forte sperimentazione, che ha portato alla fine a definire un processo produttivo standard, che garantisse ripetibilità e qualità, fondamentale in questa fase il confronto con l’utilizzatore finale. Nell’arco della tesi infatti ampio spazio è stato dedicato all’analisi delle non conformità segnalate, e di conseguenza allo studio delle cause che le avevano determinate. Tutto ciò ci ha aiutati ad evidenziare delle falle nel sistema produttivo e a cercare di correggerle. Le soluzioni individuate, nella maggior parte dei casi sono state applicate anche alle altre linee di produzione.

Infine è stata presa in considerazione la possibilità di sviluppare ulteriori tipologie di dispositivi, come sensori resistivi e capacitivi, e ne sono stati realizzati dei prototipi sperimentali mai testati sul campo.

Quanto descritto sopra verrà dettagliato nei seguenti capitoli, nei quali saranno affrontati i temi introdotti con dovizia di particolari e verranno proposti i dati raccolti durante l’analisi.

Nel Capitolo 1 sarà introdotta la tecnica di stampa serigrafica e le sue applicazioni a livello industriale.

Nel Capitolo 2 si affronterà il tema della progettazione e realizzazione di circuiti stampati flessibili con tecnica serigrafica, verranno trattati gli inchiostri i supporti e i processi di stampa e lavorazione.

3 Nel Capitolo 3, verranno descritte nel dettaglio le varie fasi che portano alla realizzazione delle tastiere a membrana.

Nel Capitolo 4, verranno descritti gli sforzi fatti per perfezionarsi dal punto di vista qualitativo, e si darà la descrizione di un prototipo di sensore resistivo.

Infine nel Capitolo 5 si trarranno le conclusioni di questa esperienza, con uno sguardo ai possibili sviluppi futuri che essa ha consentito di intravedere.

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C

APITOLO

1

L

A SERIGRAFIA

I

La serigrafia è un’antica tecnica di stampa basata sul passaggio di inchiostro attraverso un tessuto, in origine seta, che tenuto in tensione da un’apposita cornice, costituisce la matrice di stampa detta telaio serigrafico. La permeazione avviene solo attraverso determinate aree, che corrispondono alla geometria desiderata, le altre infatti sono rese impermeabili per mezzo di gelatine fotosensibili.

In questo modo è possibile procedere al deposito di film a spessore controllato, di varia natura e su ogni genere di substrato, il che ha garantito nel tempo il successo di questa antichissima tecnica, applicata a molti settori della decorazione industriale. Una moltitudine di inchiostri appositamente sviluppati garantisce la possibilità di ottenere svariati effetti grafici, e notevole intensità dei colori stampati

L’impiego della stampa serigrafica è particolarmente indicato per grandi lotti di produzione, che abbassano notevolmente l’incidenza dei costi di avvio. Ecco perché si presta benissimo alla produzione di materiali di consumo, e di componenti a basso costo per forniture a terzi.

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1.1 P

La stampa serigrafica, viene realizzata per mezzo dell’azione combinata di due elementi mobili, che scorrono su una matrice in direzione opposta, il raschietto e la racla. Il primo, costituito da una lamina metallica, è artefice della corretta inchiostrazione del tessuto di stampa, infatti sparge uno strato uniforme di pasta su tutta la superfice del telaio. La seconda, costituita da una barra di elastomero poliuretanico, si occupa invece, del passaggio dell’inchiostro attraverso le aree permeabili del tessuto, e del suo trasferimento sulla superficie di stampa. La durezza della racla e il suo profilo, hanno influenza sulla definizione e sullo spessore dello strato depositato.

In definitiva, per ogni pezzo avremo quindi la fase di inchiostrazione e la successiva fase di stampa.

Affinché un inchiostro possa essere impiegato in serigrafia, è necessario che esso sia di natura tixotropica, ovvero che abbia la capacità di variare la propria viscosità a seguito di una variazione di pressione o temperatura. Tale circostanza, si verifica ad ogni passaggio di stampa, infatti la racla scorrendo sul tessuto comprime l’inchiostro, e contemporaneamente ne aumenta la temperatura, per via dell’attrito, favorendone la permeazione.

6 In Fig 1.1, sono schematizzati il passaggio della racla e la conseguente compressione dell’inchiostro.

Durante la stampa il telaio serigrafico è posizionato alla distanza di qualche millimetro sopra il pezzo, al fine di assicurare il contatto del tessuto alla superficie solo in corrispondenza della linea ottenuta per mezzo della pressione della racla. L’immagine, si costruisce quindi via via che la racla procede nel suo movimento. Una volta arrivata a fine corsa, la macchina procede con l’alzata del telaio e contemporaneamente con l’inchiostrazione per il pezzo successivo, attraverso la movimentazione del raschietto.

Immediatamente dopo la stampa si procede con l’essiccazione dell’inchiostro, per mezzo della quale viene completata la polimerizzazione delle resine stampate. Distinguiamo due casi: inchiostri a solvente, essiccazione mediante semplice evaporazione, anche agevolata dall’uso di forni ad aria calda; oppure inchiostri UV, che vengono polimerizzati mediante esposizione alla luce ultravioletta in forni a tappeto con potenza della radiazione e tempo di esposizione controllabile.

Quanto descritto rappresenta il ciclo di stampa, ed è comune ad ognuna delle tipologie di macchina esistenti, che si differenziano invece, in relazione agli automatismi con cui sono equipaggiate. Infatti, possiamo distinguere tre grandi categorie di macchine: semiautomatiche, trequarti automatiche e completamente automatiche. Maggior automazione, garantisce un processo più fluido, di contro però va ad incidere negativamente sulla qualità del risultato, per esempio a livello di allineamento tra i colori, registro. Nelle macchine semiautomatiche, il pezzo viene posizionato manualmente dall’operatore, che si occupa anche di estrarlo dopo la stampa, il processo in questo caso è lento, ma l’operatore gestisce completamente gli aggiustamenti necessari per il raggiungimento del risultato prefisso, si privilegia la qualità a scapito della velocità. Nelle altre categorie, l’estrazione dopo la stampa è automatizzata in entrambi i casi, mentre, il piazzamento del foglio, lo è solo per quelle completamente automatiche. L’azione di controllo da parte dell’operatore è molto ridotta, soprattutto dopo l’avvio della produzione, ed alcuni fattori critici come il registro sono tenuti sotto osservazione per mezzo di sensori di posizionamento del pezzo. Alcuni eventi come errata posizione o assenza del pezzo in ingresso o in uscita, determinano l’arresto della macchina, controllata da logica PLC. Tali

7 apparecchiature sono necessariamente abbinate a linee di essiccazione mediante forni a tappeto, ad aria forzata ed UV. Questo è fondamentale in quanto i pezzi subito dopo la stampa vengono impilati in una risma, se l’inchiostro non fosse quindi già essiccato, si avrebbe il danneggiamento delle immagini.

I principali parametri da impostare prima di avviare la produzione, sono la velocità di stampa, la distanza tra telaio e pezzo, la pressione e l’inclinazione della racla. Le stampanti offrono possibilità di aggiustamenti e regolazioni, che consentono di correggere eventuali problemi anche dopo l’avvio della produzione. Questo è fondamentale in serigrafia, in quanto lo stesso processo produttivo, che molto spesso prevede in alcune fasi elevate temperature, può essere causa di variazione delle condizioni ambientali. Per cui, dovendo gestire delle materie prime suscettibili ad alterazioni, risulta necessario poter intervenire correggendo con la stampa l’insorgenza di tali problematiche. Non è raro infatti dover fronteggiare per esempio alterazioni della viscosità dell’inchiostro, che essendo tixotropico, risente della temperatura, o alterazioni dimensionali dei supporti polimerici di stampa che possono causare problemi di disallineamento. Ne segue quindi l’impossibilità di imbrigliare completamente il processo serigrafico all’interno di semplici regole, e la necessità di ricorrere all’esperienza degli operatori, i quali molto spesso sono specializzati nella gestione di alcune tipologie di macchine.

1.2 F

Nel descrivere il processo di stampa abbiamo molto spesso fatto riferimento al telaio serigrafico, andremo a questo punto a descriverlo strutturalmente e ad introdurre le procedure di preparazione alla stampa.

Il telaio serigrafico, o quadro, è costituito da una cornice metallica, in ferro o alluminio, impiegata per tenere in tensione il tessuto di stampa, che può essere tipicamente poliestere o acciaio, è importante che la tensionatura del tessuto sia stata eseguita secondo le specifiche, indicate dalle varie case produttrici. La natura del tessuto è scelta in base al tipo di applicazione, ed al livello di definizione richiesta,

8 l’acciaio consente di massimizzare entrambe le caratteristiche, ma per le applicazioni più comuni si predilige il poliestere, che consente di contenere i costi. In fig. 2.1, l’ingrandimento del tessuto serigrafico, in questo caso poliestere.

Fig 2.1: Tessuto Serigrafico al microscopio

Nell’immagine è evidente che nei punti di incrocio dei filamenti, ci sia un aumento dello spessore totale del tessuto che risulterà raddoppiato, questo può dar luogo alla presenza di irregolarità superficiali, una sorta di rugosità nota come fattore R Z, che approfondiremo in relazione alla stampa di conduttori, in questa fase ci limiteremo a sottolineare che, per ridurre il fenomeno, vengono realizzati tessuti calandrati, che garantiscono maggiore planarità.

Attraverso la costituzione della trama del tessuto, è possibile controllare il deposito di inchiostro, che è inversamente proporzionale alla concentrazione di fili per cm. Infatti, come è facile intuire, una maglia più fitta sarà più selettiva, di conseguenza, il passaggio di inchiostro sarà inferiore. Altro parametro importante, è il diametro dei singoli filamenti, da cui dipende, oltre che la quantità di inchiostro depositato, anche lo spessore del deposito. La cornice invece ha influenza sulla tensione a cui il tessuto è sottoposto, ed in particolare al mantenimento nel tempo. E’ molto importante infatti, riuscire a mantenere costante tale valore, per evitare la generazione di difettosità.

9 La preparazione del quadro, avviene nel reparto incisione, qui, il tessuto viene cosparso su entrambi i lati, con un’ emulsione fotosensibile a base acquosa, che viene fatta essiccare alla temperatura di 40ºC per 20 min, quindi si procede con l’esposizione alla luce ultravioletta. L’immagine viene impressa utilizzando delle maschere con aree nere in corrispondenza della grafica da stampare, e trasparenti altrove. L’esposizione alla luce causa l’indurimento delle aree non protette della maschera, le altre invece, continueranno ad essere idrosolubili. Sfruttando questa proprietà si procederà allo sviluppo mediante getto d’acqua, che darà luogo ad un’immagine chiara e definita sul telaio. Esistono tecniche più avanzate di produzione delle matrici di stampa, che non richiedono l’uso di maschere. Tali tecniche, denominate CTS (computer to screen),sfruttano, sistemi totalmente digitalizzati che trasferiscono direttamente l’immagine dal computer al telaio, disponendo l’emulsione direttamente nella sua configurazione finale, e polimerizzandola immediatamente mediante sorgenti UV computerizzate.

Nel capitolo successivo saranno trattate nel dettaglio la progettazione delle maschere, e lo sviluppo del telaio, in relazione al caso specifico dei circuiti stampati, la metodologia impiegata è del tutto assimilabile a quella utilizzata per la stampa di una qualunque immagine.

1.3 C

’

Quanto detto nel paragrafo 1.1, lascia intuire il fatto che il processo serigrafico, consenta di stampare un colore alla volta, di conseguenza, per realizzare un’immagine a più colori, sarà necessario progettare una maschera per ognuno di essi. Questo si tradurrà inevitabilmente nella realizzazione dello stesso numero di quadri, e di conseguenza nello stesso numero di passaggi di stampa. Tale caratteristica rende il processo molto laborioso e dispendioso in termini di tempi ed attrezzature, quindi indicato per grandi tirature. Si pensi per esempio ad immagini multicolore, in questo caso sarà necessario intervallare stampa ed essicazione, quindi, avendo a che fare con grossi numeri si potranno ottimizzare i tempi riducendo il fermo macchina. Infatti, mentre l’essiccazione del primo colore sarà ancora in fase di

10 completamento sugli ultimi pezzi stampati, si potrà procedere con la stampa del secondo sui primi pezzi già essiccati. Viceversa su piccole tirature, si avranno necessariamente dei tempi di fermo macchina, che aumenteranno notevolmente il costo del prodotto.

Si distinguono due tecniche di stampa, a seconda che si abbia a che fare con materiali trasparenti o meno. La prima è la stampa da sopra, in questo caso il primo colore ad essere stampato è quello più in basso, al quale verranno sovrapposti gli altri. La seconda, stampa da dietro o in vetrofania, è realizzata a rovescio stampando per primo il colore più in alto e per ultimo il colore di fondo. Nella costruzione dell’immagine, il reparto grafico, dovrà tenere in considerazione i possibili errori di allineamento tra i diversi strati, prevedendo delle zone di sovrapposizione, abbondanze, in modo da evitare la presenza di spazi vuoti. Inoltre bisognerà anche valutare con cura l’abbinamento dei colori. Stampare, per esempio, uno strato chiaro su uno scuro, potrebbe causare alterazioni non desiderate, causate da scarsa coprenza. Ecco perché in fase di progettazione, è necessario prevedere degli strati intermedi, per esempio fondi bianchi, che fungano da schermo, o addirittura stravolgere la composizione della figura costruendola in negativo.

Nella figura 3.1, un esempio di quanto descritto, le tre grafiche rappresentano tutte la stessa scritta bianca su fondo nero, realizzata in tre modi diversi. Nell’immagine in alto, la scritta è stata stampata a positivo su fondo nero, è possibile apprezzare tutta la trasparenza del bianco, che causa la commistione dei due colori, infatti il risultato finale è un grigio, ovviamente non conforme con la grafica desiderata. L’immagine centrale invece prevede l’uso di uno schermo, anche in questo caso sono visibili dei difetti in corrispondenza delle aree perimetrali, infatti essendo pressoché impossibile stampare un fondo identico alla scritta, è stato necessario progettarlo di dimensioni leggermente inferiori. Questo produce il bordino grigio di contorno. Quindi la soluzione ideale è rappresentata dalla terza immagine, costruita in negativo, ovvero il nero con scritta in negativo è stato stampato su fondo bianco. Quest’ultima soluzione, non produce alcun inestetismo, essendo il nero molto coprente, tuttavia non è applicabile a tutte le situazioni. Infatti, quando si ha a che fare con tratti molto fini, si corre il rischio che questi si chiudano, alterando la

11 composizione finale. Tutti questi accorgimenti, vengono concertati di volta in volta in stretta collaborazione tra reparto di progettazione, e reparti produttivi.

Fig 3.1: Costruzione Immagine

L’insieme di regole relative alla progettazione grafica, esula dall’argomento di questa tesi, nonostante nel corso di questa esperienza, rivestendo il ruolo di responsabile tecnico di produzione, abbia contribuito alla loro definizione, nell’ottica di perfezionare il processo di stampa.

Nel capitolo successivo, verranno invece trattate le regole di lay-out per la produzione di circuiti stampati, che comunque richiamano quelle più generali relative alla costruzione dell’immagine. Infatti il principio di base per la stampa di un circuito è il medesimo a cui si fa riferimento per comporre una qualunque figura, ecco perché questa tecnologia di stampa si presta benissimo alla produzione dei PCB.

12

1.4 I

Abbiamo già introdotto nel paragrafo 1.1 il concetto di tixotropia, che abbiamo definito come la principale caratteristiche che un inchiostro serigrafico deve possedere, andiamo adesso a dare una descrizione per sommi capi della loro composizione e del tipo di trattamento necessario per processarli.

Gli elementi che comunemente costituiscono gli inchiostri sono, il legante, il pigmento, il solvente e la carica:

 Lagante: è la resina che determina l’adesione al supporto di stampa, essa è specifica a seconda del materiale da serigrafare.

 Pigmento: è l’elemento determinante il colore finale, o più in generale le proprietà dell’inchiostro essiccato, nel caso dei conduttivi esso sarà costituito da nanoparticelle di argento.

 Solvente: influisce sulla viscosità del prodotto, ed influenza pesantemente i tempi di essiccazione e l’adesione al supporto di stampa.

 Carica: è la concentrazione di particelle pigmentate, influenza la consistenza e la coprenza del prodotto.

Il trattamento post stampa, invece varia a seconda del tipo di inchiostro, ed è relazionato alle esigenze della specifica applicazione. Distinguiamo innanzitutto tre categorie, inchiostri a solvente, a polimerizzazione UV, e bicomponenti. I primi sono essiccati tramite esposizione all’aria, o nel caso in cui il supporto lo consenta, mediante l’uso di forni ad aria forzata, per velocizzare la produzione. I tempi di esposizione sono quelli necessari a garantire la completa evaporazione del solvente, solo cosi infatti sarà assicurata perfetta adesione al supporto. I secondi invece, devono essere necessariamente processati per mezzo dell’esposizione alla luce ultravioletta, mediante appositi forni a tappeto. L’intensità della radiazione luminosa ed il tempo di esposizione varieranno a seconda del prodotto e del supporto impiegato. Infine gli inchiostri bicomponente sono quelli che necessitano di un catalizzatore per l’essiccazione, questi prodotti sono impiegati per quelle tipologie di supporti su cui gli altri aderiscono difficilmente, come vetro ceramica ecc. In fase di

13 stampa, per adattare gli inchiostri alle proprie esigenze, è possibile ricorrere all’uso di additivi. Questi però possono influenzare la resa qualitativa, è bene quindi impiegarli solo in casi di necessità.

Nel capitolo successivo, saranno affrontati nel dettaglio, la natura ed il trattamento degli inchiostri impiegati per la realizzazione dei circuiti stampati, verranno inoltre introdotti i test previsti da alcuni standard internazionali per verificarne la resa.

1.5 A

.

La possibilità di ottenere depositi di film spessi a mezzo stampa, e la varietà di effetti grafici possibili, rende l’industria serigrafica un partner fondamentale per diverse realtà produttive. Si pensi infatti che la maggior parte di apparecchiature industriali sono corredate di targhe, loghi e pannelli di comando, da cui la presenza di una serigrafia praticamente in ogni distretto industriale.

Nel settore meccanico e dei trasporti, si ricorre spessissimo a targhette realizzate in serigrafia. Attraverso questa tecnica infatti, è possibile depositare inchiostri di varia natura adatti alle diverse situazioni ambientali dettate dall’applicazione specifica. Avremo quindi a seconda dei costi e delle esigenze, targhette in metallo o materiali pastici.

Nell’industria tessile invece, la serigrafia è impiegata sia per la realizzazione di prodotti commerciali come le t-shirt, sia per produzioni di alta moda. Infatti i bassi costi di produzione, nel primo caso, e la grande quantità di effetti grafici unita alla possibilità di stampare su ogni tipo di materiale, compresi quelli più pregiati come la pelle, nel secondo, rendono questa tecnica un fondamentale strumento produttivo.

Più di recente infine, grazie allo sviluppo di nuovi materiali, e alla possibilità di realizzare polimeri conduttivi, la cui definizione ha valso il premio nobile nel 2000 ai tre scienziati Heeger, MacDiarmid e Shirakawa, la serigrafia si è avvicinata all’industria elettronica. Essa offre infatti la possibilità di realizzare a mezzo stampa, quindi con un livello di costo estremamente inferiore rispetto alle normali tecniche

14 fotolitografiche, circuiti stampati per l’elettronica di consumo, celle solari flessibili, e una vasta gamma di sensori resistivi capacitivi e periferiche passive.

Nei capitoli successivi, daremo una descrizione dettagliata dei processi produttivi per la realizzazione di periferiche passive e sensori su supporti flessibili, ed introdurremo le applicazioni di tipo printed electronic, basate sull’utilizzo di pedot e grafene.

15

C

APITOLO

2

C

IRCUITI STAMPATI CON TECNICA

SERIGRAFICA

I

La tecnica serigrafica è ampiamente usata nell’industria elettronica, essa infatti offre la possibilità di realizzare precisi depositi di materiale di spessore controllato, che possono essere impiegati nella costruzione dei vari strati costituenti un circuito elettronico. Paste di recente sviluppo e varia natura, (conduttiva, isolante, colle epossidiche), possono essere infatti applicate semplicemente attraverso la stampa.

Nel corso di questa tesi ci siamo occupati della progettazione e della definizione di un processo di produzione per circuiti stampati flessibili FPCB (flexible printed circuit board).

In questo capitolo andremo a dettagliare lo sviluppo degli FPCB, dalla progettazione alla realizzazione; ampio spazio sarà dedicato alle diverse tipologie di materiali impiegati, alla tecnica di stampa, e alle sperimentazioni che hanno portato al processo definitivo.

16 Fig.2.1: file cliente esempio

17

2.1

F

I CAD impiegati per la progettazione dei circuiti oggetto di questa tesi, sono stati, EasyPC® della Number One System, per quanto riguarda la realizzazione della parte circuitale, e CorelDRAW® per la parte meccanico/dimensionale.

Trattandosi di dispositivi custom, principalmente pannelli di comando per il settore vending e biomedicale, la progettazione è stata eseguita in stretta collaborazione con il cliente finale, che ha fornito tutte le specifiche di progetto, in base alle proprie esigenze. I reparti coinvolti nella progettazione sono stati quello grafico, oltre a quello tecnico elettronico, che hanno lavorato in costante collaborazione.

Subito dopo una prima valutazione di carattere economico, che esula dall’obiettivo di questa tesi, i files descrittivi vengono messi a disposizione dei due uffici tecnici per le fasi successive.

Avvenuta l’acquisizione dei file dal committente, di cui è rappresentato un esempio in figura 2.1, si procede con uno studio di fattibilità di natura tecnica, eseguito parallelamente dai due reparti di progettazione. Se entrambi gli uffici concordano sulla possibilità di esaudire le richieste, tenendo presente le specificità del sistema produttivo interno, allora si va avanti con le fasi successive. Quanto decritto è raffigurato schematicamente in fig. 2.2, dove viene presentato un diagramma di flusso di progettazione.

Il reparto grafico, che lavora utilizzando i programmi Adobe Illustrator® e FREEHAND®, va quindi a generare un file meccanico dimensionale con estensione .ai, per una singola impronta (dispositivo singolo), che costituisce la base di partenza per la realizzazione del layout del dispositivo; esso viene acquisito per mezzo di CorelDRAW®, attraverso il quale vengono definiti i vincoli dimensionali, e posizionati i vari componenti che saranno eventualmente impiegati. Viene generato quindi, un secondo file vettoriale specifico, privato della parte grafica, sulla base del quale viene disegnato il circuito. Il file dxf prodotto viene importato in ambiente EasyPC®, in questa fase viene stabilito il numero di layer costituenti, ed

18 eventualmente se il circuito dovrà essere su una o due facce, verranno inoltre piazzati i vari componenti, prelevandoli dalla libreria del programma opportunamente realizzata per soddisfare le caratteristiche delle tipologie di dispositivi trattati.

Fig. 2.2: Diagramma flusso di progettazione.

Una volta disegnato il Lay-Out del circuito, si procede con la generazione di un file vettoriale da elaborare a mezzo di CorelDRAW®, per renderlo utilizzabile dal reparto grafico che si occuperà della realizzazione dell’impianto di stampa. In particolare viene fornito un file con estensione .ai, contenente i vari strati costituenti

19 il circuito singolo, che sarà inserito all’interno di un impianto multiplo, le cui dimensioni vengono determinate in base alle esigenze produttive, tecniche ed economiche.

2.2

D

In questo paragrafo verranno brevemente descritti i due programmi coinvolti nella progettazione dei circuiti stampati e saranno presentati degli esempi applicativi, in modo da poterne apprezzare il reale utilizzo.

2.2.1EASY PC

Il programma è un ambiente di progettazione, che fornisce all’utilizzatore tutti gli strumenti per l’acquisizione e la simulazione di uno schema, basandosi sul simulatore analogico digitale di SPICE, guidando la progettazione ed il layout dei circuiti stampati, per mezzo di un processo di sintesi. Inoltre, il CAD, offre la possibilità di procedere con il disegno del PCB senza necessariamente dover ricorrere allo schematic design editor; ed è questa la metodologia utilizzata per progettare i circuiti oggetto di questa tesi. Infatti abbiamo trattato esclusivamente la produzione di periferiche passive, tastiere e sensori resistivi, per i quali non è stato necessario ricorrere all’uso dello schematico.

Il primo passo per un corretto utilizzo del software, è stato quello di definire delle regole di progettazione, derivate direttamente dal processo produttivo e dai suoi limiti, che sono state raffinate per mezzo di sperimentazioni successive.

Tali regole riguardano per esempio le dimensioni minime delle piste conduttive o la distanza minima tra due piste poste sullo stesso strato, o ancora le proprietà dei vari strati presenti, conduttivi o isolanti. L’insieme di queste regole, indica al DRC , desig ruke cecker, se il layout disegnato è effettivamente realizzabile, nella figura seguente un’esempio di Design Rule Editor.

20 Fig.2.3: Design Rule Editor (regole dimensionali).

Oltre a disporre delle libreria standard, contenente i componenti di uso più comune nell’industria elettronica, pensati per i processi produttivi generalizzati, il layout editor può essere personalizzato con diversi file tecnologici. Largo spazio è stato quindi dedicato all’aggiunta di librerie specifiche, contenenti componenti propri del processo che avevamo a disposizione, e del prodotto che andavamo a realizzare, EasyPC® offre infatti la possibilità di disegnare direttamente, e definire al contempo delle regole di design per ognuno di essi.

21 Nel nostro caso abbiamo aggiunto elementi di progettazione quali, connettori, tasti e piazzole per LED, disegnati a partire da componenti base già presenti, e nel rispetto di specifiche fornite direttamente dalle case produttrici attraverso le schede tecniche. Quanto descritto è rappresentato in figura 2.4, dove l’immagine a sinistra raffigura l’estratto di un datasheet, sulla base del quale è stato disegnato il nuovo componente aggiunto, in questo caso un connettore con passo 2.54mm.

I Componenti aggiunti alle nuove librerie, sono stati modificati a più riprese, a seguito dei risultati sperimentali ottenuti in stampa, in questa prima fase infatti le prove eseguite hanno consentito di migliorare anche l’aspetto progettuale, in modo da avere la massima corrispondenza possibile tra progetto e prodotto finito.

Definiti questi aspetti si può passare al disegno del Layout, eseguito sulla base dello schema elettrico fornito dal committente, e dei vincoli dimensionali stabiliti con il reparto grafico. Tali vincoli definiscono quello che è il foglio di lavoro, ovvero, la porzione di substrato, su cui andrà ad essere realizzato il circuito. Inoltre, il programma consente di aggiungere ulteriori cornici, utili a delimitare le aree a disposizione.

Il primo passo è il piazzamento dei componenti, le cui coordinate saranno multiple della risoluzione, minima dimensione fabbricabile. Fatto questo vengono eseguiti i collegamenti per mezzo del disegno delle piste conduttive, ed introdotte delle aree di isolamento per la realizzazione di eventuali crossover in caso di circuiti multistrato.

Procediamo quindi con il DRC, il programma va a stabilire se il layout è realizzabile valutando il rispetto delle regole preimpostate, il risultato è la generazione di un file di testo, in cui sono elencati tutti gli eventuali errori presenti, e le loro coordinate. Solo in assenza di problemi si può procedere. Dal menù output , è possibile selezionare diversi tipi di formati per l’uscita, tra cui oltre ai più comuni formati Gerber, che sono quelli più largamente impiegati, anche altri di tipo vettoriale. Nel nostro caso è necessario poter disporre di un formato di tipo vettoriale, facilmente trattabile mediante i programmi grafici a disposizione, ecco perché si è scelta l’estensione .dxf.

22 In figura 4.2, un esempio di progettazione PCB di un circuito multistrato, sono evidenziati i riferimenti dimensionali e di posizionamento, oltre alle varie piste conduttive, in differenti colorazioni a seconda del layer di appartenenza, blue per il livello 1, e rosso per il livello 2, in verde invece sono rappresentate le vie di comunicazione tra i due livelli conduttivi. Ognuo di questi elementi è materiamente realizzato per mezzo della sola stampa.

Fig.2.5: Esempio Schermata PCB

2.2.2CORELDRAW

CorelDRAW® è un potente CAD di progettazione grafica vettoriale, largamente diffuso nel settore, storicamente impiegato nella realtà aziendale in cui abbiamo lavorato, operante nel mondo della grafica.

Nel corso di questa tesi è stato largamente usato per tutte le elaborazioni di natura meccanico dimensionale eseguite sui circuisti stampati, e sui prodotti finiti. Inoltre, si è rilevato un utilissimo strumento nelle fasi di acquisizione delle specifiche da parte del cliente, e di dialogo con il reparto grafico aziendale.

23 Di seguito verranno descritte proprio le fasi di dialogo con il reparto grafico, di acquisizione, ingresso, ed in restituzione dei file per le elaborazioni successive. Nel capitolo successivo, sarà invece trattato l’impiego del CAD dal punto di vista meccanico.

 Elaborazione file in ingresso

Come specificato nel flusso di progettazione, l’ufficio grafico, genera un file vettoriale formato Illustrator, che passiamo ad elaborare in modo da trarne le specifiche di tipo dimensionale. Corel costituisce l’ambiente ideale per questo tipo di operazione, in quanto, grazie alla possibilità di operare su differenti livelli, consente di generare un file vettoriale, molto leggero, contenete sostanzialmente le sole informazioni utili a costituire i vincoli che poi saranno rispettati in fase di progettazione del PCB.

Fig. 6.2: Elaborazione file grafico

Nella figura 6.2, un esempio di quanto descritto sopra; la figura in basso, è stata ricavata sulla base della grafica, rappresentata in alto, e delle specifiche del cliente. Le quali, hanno consentito di scegliere la posizione e lunghezza del cavo flat e delle aree trasparenti. Le aree in blue rappresentano invece, la posizione di, connettore e tasti.

24 Come è possibile intuire, il disegno dell’interfaccia grafica, oltre ad imporre, vicoli posizionali per i componenti, ne influenza pesantemente, anche la tipologia. Infatti l’impego di un tipo di tasto, o di una certa tecnologia costruttiva, sono molto spesso condizionati dalle distanze tra i differenti simboli grafici, la cui posizione determina lo spazio a disposizione.

Il risultato finale di quanto descritto, è la realizzazione del disegno di quello che in gergo viene chiamato supporto, che consiste in un file vettoriale con estensione .dxf, alleggerito perché privato di tutta la parte grafica. Quindi ideale per essere importato in ambiente EasyPC, dove costituirà il nostro foglio di lavoro per il disegno del layout. Nella figura 7.2, è riportato il momento dell’importazione.

Fig 7.2: Importazione file dimensionale.

 Generazione file vettoriale per elaborazioni grafiche.

In questa fase vengono eseguite tutte le operazioni che consentono al PCB, disegnato come descritto in precedenza, di essere interpretato in maniera corretta dall’ufficio grafico che si occuperà della generazione delle maschere per l’incisione

25 del telaio serigrafico, pellicole. L’obbiettivo è quindi ottenere un file meccanico vettoriale per ognuno dei layer da stampare.

Il reparto grafico infatti, necessita che il file vettoriale fornito, sia costituito da differenti livelli ognuno dei quali contenga una ed una sola curva, in modo che non siano possibili spostamenti di parti, e quindi generazioni di difetti funzionali in fase di costituzione dell’impianto multiplo per la stampa. Il file che abbiamo appena generato tramite Easy PC, è infatti un insieme di curve separate, contorni privi di riempimento, in questa fase andremo a fonderle e riempirle eliminando il filetto perimetrale, livello per livello.

Nella pagina successiva in figura 8.2, è possibile osservare il risultato di quanto appena descritto. Il circuito rappresentato è una semplice tastiera, realizzata mediante un multistrato, tre livelli funzionali, corrispondenti a tre distinte maschere di incisione, ed in definitiva a tre passaggi di stampa.

Ovviamente, perché il prodotto finale risponda alle caratteristiche desiderate, è necessario che vengano introdotti dei marker necessari a consentire l’allineamento, crocini di registro, fondamentali per il posizionamento corretto di ogni strato. Tali riferimenti saranno inseriti in fase di realizzazione impianto multiplo.

26 Fig 8.2: File per realizzazione impianto.

27

2.3

G

Ricevuto il file descritto al punto precedente, in formato illustrator, l’ufficio grafico, per mezzo del software MACROMEDIA FREEHAND, procede all’assemblaggio delle singole impronte (circuiti), all’interno di un sistema multiplo, basato sulla composizione scelta per la stampa del pannello grafico. Infatti, bisognerà che circuiti e pannelli siano compatibili, in modo da agevolare le successive fasi di assemblaggio e, più in generale, sarà necessario tenere presenti tutte le successive fasi di lavorazione.

Oltre che sulla base di quanto descritto sopra, l’impianto è anche concepito in modo e maniera da ottimizzare l’uso del materiale di supporto e degli altri layer intermedi, di cui parleremo nel prossimo capitolo, queste voci infatti incidono pesantemente sul costo del prodotto finito.

Stabilita la composizione definitiva, si passa alla stampa delle maschere, che sono ottenute per mezzo di fotounità, o stampante inkjet , su un foglio di poliestere trasparente stabilizzato termicamente. Questo dettaglio è molto rilevante, poiché nel corso delle lavorazioni successive, le pellicole sono sottoposte a sbalzi di temperatura che in presenza di un materiale non adeguato, potrebbero dar luogo a deformazioni, e quindi all’insorgenza di problemi di registro in fase di stampa, e addirittura, di malfunzionamenti sul pezzo finito.

Sulle maschere, viene stampato il positivo dell’impronta realizzata, questo perché nella successiva incisione del telaio verrà impiegato, come vedremo, un fotoresit di tipo negativo.

Nella pagina seguente, in fig. 9.2, viene riportato un’esempio di impianto di stampa multiplo. Il numero di pellicole necessarie per la realizzazione del circuito finito è, in questo caso, pari a quattro. Questo, si tradurrà nell’incisione di quattro telai serigrafici, e di conseguenza, in quattro successivi passaggi di stampa, tanti quanti saranno in definitiva gli strati costituenti il nostro FPCB. La corrispondenza tra immagine sulla maschera e quella stampata è di tipo 1:1, infatti come vedremo l’mpressione del telaio avverrà con la pellicola a contatto, non ci saranno quindi scalature.

28 FIg. 9.2: Impianto multiplo

29 Nell’immagine, sono ben evidenti i gia citati crocini di registro, per l’allineamento dei vari layer, oltra ai riferimenti colore , che stabiliscono l’ordine di stampa.

Subito dopo la loro realizzazione, le pellicole, vengono accuratamente controllate, con l’ausilio di piani luminosi e lenti di ingrandimento, infatti la minima imperfezione si andrebbe a trasferire sul telaio e di conseguenza sulla stampa, causando potenziali malfunzionamenti.

Le pellicole, accompagnate dalla scheda di lavorazione, sono quindi indirizzate al reparto incisione, dove si procederà con il trasferimento dell’immagine, mediante fotoincisione.

2.4

P

Abbiamo già introdotto nel precedente capitolo, il processo di stampa serigrafica, e di incisione. In questo paragrafo, invece verrà trattato l’argomento nello specifico caso dei circuiti stampati, facendo riferimento alle prove sperimentali eseguite internamente e alle scelte operate, fornendone le effettive motivazioni. Una volta descritto il telaio serigrafico, andremo a approfondire le fasi di lavorazione che sono propedeutiche alla stampa serigrafica, dando una breve descrizione dei materiali e delle strumentazioni coinvolte.

.

2.4.1TELAI PER STAMPA CIRCUITI

Il telaio serigrafico, è la base del processo produttivo, gran parte delle caratteristiche tecnologiche dei dispositivi realizzati, sono infatti influenzate dalla scelta del telaio opportuno. Per questa ragione in una prima fase è stato dedicato ampio spazio alla sperimentazione in questo senso.

30 Per esempio, la concentrazione di fili costituenti il tessuto, va ad incidere sulle proprietà elettriche delle piste conduttive, influenzandone largamente la conducibilità. Questa importantissima caratteristica, è strettamente condizionata oltre che dal tipo di materiale con cui viene realizzato il conduttore, nel nostro caso inchiostro contenente argento in nanoparticelle, anche dalla quantità di materiale impiegata per la sua realizzazione. La seconda delle due dipende esclusivamente dalla costituzione del tessuto scelto per la stampa. Infatti, una maggiore concentrazione di fili, trama stretta, determinerà un passaggio di inchiostro inferiore, conseguentemente un valore di resistenza più alto, viceversa, la resistenza diminuirà con un numero di fili per cm2 è inferiore. Occorre comunque garantire anche una buona definizione dello stampato, che implica la necessità di scegliere delle trame molto strette, il limite nel caso dell’inchiostro conduttivo, è fornito dalla dimensione delle nanoparticelle, la trama infatti dovrà essere tale da consentirne il passaggio. Altra caratteristica importante, è il diametro di ciascun filo, che nel nostro caso è pari a 27µm.

I risultati sperimentali ci hanno portato a scegliere 71 fili/cm, per la stampa dell’argento, 90 fili/cm per la stampa dell’isolante. Oltre al tessuto esistono, per alcune applicazioni circuitali, (applicazione colle epossidiche), telai realizzati in metallo, o misti tela/metallo, in questo caso le geometrie da stampare invece che incise, sono direttamente intagliate mediante l’uso di laser. Nel nostro caso, è stato impiegato esclusivamente il tessuto, corrispondente alle esigenze produttive aziendali, per le colle si è impiegata una trama di 36 fili/cm. L’importante differenza rispetto alle precedenti due è legata alla viscosità dell’inchiostro, in quest’ultimo caso notevolmente superiore.

Il risultato di stampa, oltre che dalla natura del materiale e dal tipo di maglia costituente il tessuto, è influenzata anche dalla tensione superficiale di quest’ultimo, che viene costantemente controllata, per mezzo di un tensiometro appositamente concepito, e mantenuta sul valore di 20 N/cm. In particolare, è importantissimo che tutti i telai coinvolti nella stampa dei diversi strati di un circuito, abbiano lo stesso valore di tensione superficiale, per avere lo stesso tipo di deformazione in ognuno di essi, garantendo il registro di stampa, quindi la coincidenza dei diversi layer. Questo aspetto, insieme alla natura della cornice e la sua dimensione, agiscono sul fenomeno

31 della distorsione, un difetto dimensionale, che non può essere annullato ma solo contenuto, che avremo modo di approfondire. In questa fase, ci limiteremo a sottolineare che, basse tensioni superficiali, e cornici troppo rigide, incrementano tale inconveniente. Per la stampa dei nostri circuiti, abbiamo adoperato telai misura XxY cm, con cornice in alluminio.

2.4.2EMULSIONI FOTOSENSIBILI E LORO APPLICAZIONE.

L’emulsione fotosensibile, costituisce lo strato di resist che consente di tradurre in stampa, le immagini presenti sulle maschere. La sua funzione può essere paragonata a quella di un fortoresist negativo, infatti, la parte non sottoposta alla luce, cioè protetta dalla pellicola, verrà rimossa con un attacco mediante acqua ad alta pressione, la parte esposta, invece, risulterà non attaccabile. Sulla maschera avremo quindi il positivo del circuito da stampare, e sul telaio il negativo.

La tecnica di applicazione sul telaio, è completamente automatizzata, l’emulsionatrice, garantisce un deposito controllato del resist, mediante la creazione di programmi ad hoc per le specifiche applicazioni. Nel caso degli FPCB, il programma prevede un doppio passaggio di emulsione sul lato stampa, ed uno singolo sul lato racla. L’altezza risultante di 25µm, ci ha consentito di ottenere il giusto compromesso tra conducibilità e flessibilità, abbiamo infatti realizzato circuiti flessibili, fino a 5 mm di raggio di curvatura, con una resisenza di 0,1 Ω/□, ed un isolamento garantito per crossover e cavi.

Un deposito superiore, avrebbe favorito conducibilità e isolamento, a discapito della flessibilità, infatti, film troppo spessi sono soggetti a stress meccanici superiori, viceversa un deposito inferiore avrebbe privilegiato la flessibilità e inficiato conducibilità e isolamento.

L’emulsione impiegata per tutti i processi di stampa dei circuiti è la

PLUS7000®, di MacDermid AUTOTYPE, che ci ha garantito ottime prestazioni in

32 Una caratteristica fondamentale, per una buona emulsione, è la resistenza all’usura, bisogna ricordare infatti che la serigrafia avviene mediante l’attrito della racla sul telaio. Se il resist si usura troppo velocemente, si rischia di perdere la ripetibilità del prodotto. Si pensi ad esempio, a lotti di produzione di grosse dimensioni, in cui l’ultimo pezzo stampato a causa dell’erosione abbia una resistenza considerevolmente più alta rispetto ai primi. Inoltre dalla solidità del resist dipende direttamente anche la definizione della stampa, infatti l’erosione della gelatina può determinare irregolarità del bordo pista e sbavature che potrebbero nella peggiore delle ipotesi mettere in corto circuito piste adiacenti.

FIg.10.2: Sezione stampa pista conduttiva.

Nella figura 10.2, è riportata la sezione del telaio, in alto, e del circuito stampato, in basso, durante di stampa, è rappresentato in verde lo spessore dell’emulsione, in nero quello della pista conduttiva.

2.4.3FOTOINCISIONE E SVILUPPO TELAI PER FPCB

I processi di fotoincisione e sviluppo del telaio, ricordano molto da vicino quelli di imaging ed etching, impiegati nella produzione di schede PCB, e di circuiti integrati. Infatti anche in questo caso, abbiamo, come descritto nel paragrafo precedente, l’impressione di un resist, imaging, e la successiva rimozione delle aree non impressionate, etching, cambiano naturalmente i materiali usati e le tecnologie.

Una volta che il telaio è stato ricoperto con lo strato di emulsione, viene processato per mezzo di un macchinario chiamato TRIS, (fig.11.2), costituito da una combinazione di tre apparecchiature differenti, sorgente luminosa, pompa per il

33 vuoto e forni per l’essiccazione. La sorgente luminosa è realizzata mediante una lampada alogena della potenza di 5000 Watt, posta alla distanza di 120 cm dal piano su cui si trova il telaio.

Fig. 11.2 TRIS

Il telaio, viene racchiuso in una camera completamente oscurata su un lato, e trasparente alla luce sull’altro, la pompa per il vuoto consente di inglobarlo all’interno di un piano di gomma che lo blocca, quindi si aziona l’espositore. La pellicola è a contatto col tessuto da impressionare, trasferimento delle geometrie 1:1. I tempi di esposizione sono preimpostati, ed il loro rispetto garantisce accuratezza del risultato. Infatti, sottoesposizione può causare il cedimento di tutto lo strato di resist, viceversa la sovraesposizione determina l’impressione di aree che invece dovrebbero essere protette dalla maschera. Le tempistiche impiegate costituiscono uno standard aziendale, utilizzato per tutti i tipi di produzioni.

Fondamentale in questa fase, è il posizionamento del telaio rispetto alla sorgente, è necessario infatti, che i raggi luminosi incidano su di esso perpendicolarmente, o quasi, in maniera da evitare che ci siano alterazioni dell’immagine impressa.

34 Fig. 12.2 Esposizione del telaio serigrafico (imaging).

Anche il posizionamento della maschera rispetto alle cornici perimetrali, rispetta delle regole geometriche sperimentali, è necessario che questo venga piazzato al centro e non solo, infatti esistono distanze minime dalle cornici, tali da garantire la corretta flessione del tessuto in fase di stampa, evitandone la rottura. Tutto ciò va ad influire sulla scelta della dimensione del telaio.

Successiva all’esposizione è la fase di etching, realizzato mediante getto d’acqua ad alta pressione, tutto il resist non impressionato deve essere rimosso, quindi, si procede all’asciugatura in forno, per ottenere il fissaggio del prodotto. Seguirà, come già fatto per le pellicole, l’analisi qualitativa su piano luminoso, se necessario, con l’ausilio di lenti di ingrandimento, per controllare l’effettiva rimozione del resist, nelle aree protette e la sua stabilità nelle aree impressionate. Infatti una traccia di emulsione al centro di una pista, o la sua mancanza in corrispondenza di un crossover, possono dar luogo ad interruzione della conduzione o all’insorgenza di corto circuiti tra i diversi livelli.

35

2.5

S

FPCB

Procediamo a questo punto con la descrizione del processo di stampa, ed in generale di produzione di circuiti su supporto flessibile.

Andremo quindi a dare una descrizione degli elementi impiegati e delle tecniche di applicazione.

2.5.1SUBSTRATO FLESSIBILE

Il materiale di base, per in nostri circuiti flessibili, è il poliestere (PET), della Dupont Teijin Film, che si presta molto bene al tipo di applicazione, in quanto possiede ottime proprietà dal punto di vista elettrico, meccanico e chimico. Infatti è un materiale economico, molto resistente alle condizioni di lavorazione proprie della serigrafia.

I prodotti impiegati, sono stati principalmente AUTOSTAT CUS5® di MacDermid AUTOTYPE, e CIRCUIT FILM HSPL20 HT di COVEME, supporti con caratteristiche molto simili, ma leggermente diversi nell’aspetto a causa di un trattamento superficiale per l’adesione degli inchiostri di stampa, presente solo nel secondo.

Entrambi i materiali, forniti in film dello spessore di 125µm, sono stabilizzati termicamente. Questo, è di fondamentale importanza, infatti, come vedremo in seguito, il trattamento degli inchiostri di stampa, prevede cicli di lavorazione ad alta temperatura. Deformazioni, anche minime, non sono tollerabili, in quanto potrebbero provocare crepe nello strato di inchiostro depositato, determinando quindi interruzioni di piste, o aperture nello strato di isolante, oltre a rendere impossibile il registro tra i vari strati.

Di seguito, in fig 13.2, è riportato un grafico, tratto dal data sheet di AutostatCUS5, relativo al restringimento del materiale, in funzione della temperatura. In ordinata, il restringimento del materiale, in ascissa, la variazione di temperatura. Il tempo di esposizione preso in considerazione è di 30 minuti.

36 Come possiamo vedere, non si rilevano sensibili variazioni dimensionali fino a 150º C, temperatura per la quale la deformazione è comunque inferiore allo 0,5%. Tutto ciò fornisce un’indicazione sul range di temperature entro le quali imbrigliare il processo produttivo, e ovviamente condiziona la scelta degli altri componenti coinvolti, che dovranno poter essere processati all’interno dello stesso intervallo.

Fig 13.2 Grafico Stabilità termica AUTOTYPE®

Dal punto di vista dell’isolamento, il materiale offre ottime proprietà di rigidità dielettrica, fino a circa 10 kV, ben al di la delle applicazione dei nostri FPCB, che vengono alimentati in bassa tensione.

Oltre alle caratteristiche elettro-meccaniche, la scelta di questi due supporti è motivata anche dalle capacità di far aderire perfettamente gli inchiostri conduttivi ed isolanti. Per valutare questa importantissima proprietà, esistono dei test pratici messi a punto da ASTM, American Society for Testing and Materials, a cui noi abbiamo fatto, molto spesso, riferimento. In questo caso la prova da eseguire, per analizzare la conformità del prodotto, è descritta nel ASTM F1842-09, Standard Test Method for Determining Ink or Coating Adhesion on Plastic Substrates.

37 Brevemente, consiste nell’intaccare il deposito di inchiostro dopo l’essiccazione, mediante tagli paralleli, quindi applicare un apposito nastro adesivo, e procedere allo strappo. Se non si verificano distaccamenti dal supporto, allora l’aggrappaggio, è considerato efficace. Questa procedura, non solo ci consente di valutare la bontà del substrato, ma anche la sua compatibilità con gli inchiostri adoperati. Entrambi i materiali citati in questo paragrafo, hanno garantito il massimo dell’adesione, nonostante uno solo dei due venga fornito con un trattamento superficiale per favorirla.

Ulteriore fondamentale caratteristica, per l’ingresso in alcuni mercati come quello Americano o Canadese, è la compatibilità del prodotto con lo standard UL94®, relativa ai test di infiammabilità per i materiali polimerici componenti di dispositivi. La conformità allo standard sopra citato, ci ha obbligati, nei casi di interesse, alla scelta del materiale fornito da MacDermid Autotype.

Conclude il quadro descrittivo del supporto, il fatto che questo sia estremamente compatibile con la struttura produttiva a disposizione, concepita per la realizzazione di etichette adesive, e quindi predisposta alla lavorazione di materiali in foglio.

2.5.2INCHIOSTRI IMPIEGATI E LORO TRATTAMENTO.

I film spessi depositati sui substrati, per costituire le parti conduttive o isolanti degli FPCB, si presentano sul prodotto finito nello stato solido. Tuttavia, per essere impiegati nella stampa, è necessario che questi siano dotati dell’opportuna viscosità.

Per ottenere questo risultato, le aziende produttrici, ricorrono all’uso di solventi, che verranno poi fatti evaporare subito dopo la stampa mediante trattamento ad alta temperatura. Oppure, vanno a realizzare delle resine viscose, che poi verranno polimerizzate per mezzo dell’esposizione alla radiazione ultravioletta.

Noi abbiamo impiegato entrambe le tipologie di prodotto, come conduttori, isolanti, paste per il fissaggio di componenti SMD, e resine incapsulanti.

38

 Inchiostri Conduttivi

Per la stampa dei conduttori, sono stati impiegati, inchiostri realizzati mediante la dispersione di particelle, monocristalli o piccole molecole di elementi conduttori, all’interno di resine termoindurenti. Questi prodotti, sono non conduttivi al momento dell’impiego, per poi diventarlo a seguito di un trattamento termico. Nel nostro caso il materiale disperso nella resina può essere Argento, o Carbonio.

Nell’impiegare questi materiali si è fatto riferimento ai data sheet, al confronto diretto con gli uffici tecnici delle case produttrici, ed ai risultati sperimentali ottenuti. Infatti, lo studio della documentazione ci ha fornito esclusivamente un buon punto di partenza, da perfezionare ed adeguare alla struttura produttiva. Per esempio le temperature di essiccazione, vanno adeguate alla tipologia di forni a disposizione, cosi come la scelta della macchina da stampa o il formato del telaio serigrafico.

Per realizzare le piste di collegamento si è impiegato Electrodag PF410 di LOCTITE. Il prodotto viene fornito sotto forma di resina termoindurente, ready to use, che in questo caso vuol dire che non necessita di diluizione. Presenta ottime capacità di adesione su substrati in poliestere, anche se non trattato, come quello descritto sopra, e subito dopo la stampa può essere essiccato mediante forni a convezione, o a raggi infrarossi. Nel nostro caso si è fatto uso di forni a convezione, forno statico, alla temperatura di 120ºC per 30 min.

Questo vuol dire che una volta stampato il primo strato su tutto il lotto di produzione, i pezzi (fogli di poliestere più argento), vengono processati in forno per mezz’ora, prima di poter passare alla stampa dello strato successivo.

Molto simile a quello appena descritto è il processo di stampa dei layer di grafite, per i quali è stata impiegato, Electrodag PF407-C sempre di LOCTITE. In questo caso è diverso il tipo di telaio serigrafico 90 fili/cm contro i 71 dell’argento, identica, invece, la procedura per l’essiccazione. I valori di resistenza ottenuti in fase di produzione, differiscono leggermente da quelli indicati nei data sheet, ma sono calibrati, in ogni caso, in modo da rientrare nelle specifiche del prodotto realizzato.

39 Un’ulteriore tipologia di inchiostri conduttivi sono quelli di natura organica, in questo caso il polimero conduttivo, PEDOT, è disciolto in una miscela con solventi, che vengono fatti evaporare dopo la stampa. Questa categoria di inchiostri viene impiegata quando è necessario avere trasparenza degli elementi conduttivi, quello di cui noi abbiamo fatto uso è ORGACONTM EL-P5015 di Agfa. Il tipo di telaio impiegato è lo stesso usato per l’argento, mentre i tempi di essiccazione sono molto diversi, infatti il processo si completa in 3minuti alla temperatura di 130ºC.

Oltre alla compatibilità con il substrato, è molto importante la compatibilità tra l’uno e l’altro inchiostro, specie quando si tratta di fornitori differenti, e soprattutto accoppiamenti di resine termostatiche e inchiostri a solvente, Ag+Orgacon ad esempio. Infatti il solvente contenuto nella resina, potrebbe intaccare l’Orgacon già essiccato. Quindi risulta fondamentale rispettare un corretto ordine di stampa e scegliere solventi fra loro ortogonali, cioè che non vadano ad attaccare gli strati, precedentemente depositati, con cui vengono reciprocamente a contatto.

 Inchiostri Isolanti

Utilizzati per la realizzazione di crossover e la passivazione dei cavi flessibili di interfacciamento, possono essere di varia natura, noi abbiamo impiegato delle resine a polimerizzazione UV. In particolare, il prodotto utilizzato è stato Electrodag 452 SS di LOCTITE.

La stampa del prodotto, come accennato è stata realizzata per mezzo di un tessuto a 90 fili/cm, mentre l’essiccazione mediante forno a tappeto UV, con le seguenti specifiche: potenza 80W/cm; velocità del tappeto 10m/s.

Per garantire il perfetto isolamento, nel caso di crossover, si è sempre proceduto con un doppio passaggio di isolante, questo per fare in modo che il secondo passaggio coprisse eventuali difetti rimasti sul primo. La corretta polimerizzazione della resina, garantisce l’adesione dell’inchiostro al supporto, oltre che allo strato conduttivo. La valutazione avviene sempre per mezzo del test definito da ASTM.

40

 Colle Epossidiche e Resine Incasulati

L’impiego di questi due inchiostri è limitato, nel nostro caso, all’assemblaggio di componenti a montaggio superficiale SMD (souface mounting device). La procedura adottata, risulta abbastanza complessa, prevede infatti, una fase di assemblaggio in pick and place, tra due fasi di stampa. La prima per realizzare le piazzole adesive/conduttive, colla epossidica a base argento, la seconda per bloccare il componente e proteggerlo meccanicamente, resina a polimerizzazione UV trasparente.

In particolare i componenti vengono piazzati su la colla ancora non essiccata, quindi anch’essi saranno sottoposti allo stesso trattamento termico. Allo stesso modo, verranno esposti alla luce UV, per la polimerizzazione della resina incapsulante. Sarà dunque, ancora una volta, necessario che tutti gli elementi coinvolti siano compatibili col processo produttivo, in questo caso i componenti devono poter resistere almeno fino alla temperatura di polimerizzazione, per il tempo necessario a che questa si concluda.

Gli inchiostri usati sono stati, Electrodag 5915 di LOCTITE, come adesivo/conduttivo, ed EC 9515 di EMS, come incapsulante. Entrambi stampati per mezzo di un tessuto a 36 fili/cm. Il trattamento termico dell’epossidico prevede, come per le piste conduttive, un ciclo di 30 min a 120ºC, mentre la polimerizzazione dell’incapsulante avviene a 80W/cm alla velocità di 10 m/s, doppio passaggio in forno.

Anche per i componenti SMD, l’ente di standardizzazione ASTM ha previsto un test, che è F 1995-00, e che consente di stabilire il buon ancoraggio del componente sul circuito. Questo punto è molto critico, si tenga presente infatti, che quanto descritto vale per circuiti flessibili, mentre i componenti sono comunque rigidi, di conseguenza le sollecitazioni dovute alla flessione del supporto potrebbero facilmente causarne il distacco, se questi non fossero perfettamente ancorati. Proprio per questa ragione, oltre ai test definiti dallo standard, sono stati implementati internamente ulteriori stress-test eseguiti a campione, sul prodotto finito, che descriveremo nel seguente capitolo

41

2.6

T

I circuiti flessibili realizzati, possono essere distinti sostanzialmente in due categorie. Come per i PCB, infatti, anche nel nostro caso, avremo circuiti multistrato, e circuiti doppia faccia. I primi, sono sostanzialmente realizzati su un solo lato del substrato, e possono essere considerati un caso particolare dei secondi, che invece, sono stampati su ambedue i lati del supporto flessibile.

A differenza dal processo fotolitografico, impiegato nella realizzazione di PCB su FR4, nel caso della stampa serigrafica, non avremo rimozioni di parti dello strato depositato. Infatti mentre per i circuiti tradizionali si ha il deposito di layer conduttivi o isolanti su tutto il supporto, ed il successivo attacco chimico selettivo, che consente di generare le geometrie desiderate. Nel caso della stampa il deposito di materiale, conduttivo, o isolante, avviene già sagomato. Possiamo quindi distinguere la stampa, tecnologia additiva, dalla litografia, tecnologia sottrattiva. Questa caratteristica, consente di abbattere notevolmente i costi di produzione, attraverso la riduzione di scarti e soprattutto di tempi. Infatti, l’incisione litografica, si ha solo a livello di matrice e non su ogni singolo pezzo. Una volta realizzato il telaio, per ognuno degli strati da stampare, esso potrà essere impiegato per la realizzazione di centinaia di pezzi. Per questa ragione, il processo descritto si presta benissimo per la produzione di elettronica di consumo a basso costo.

2.6.1CIRCUITI MULTISTRATO

Costituiscono la categoria più diffusa tra gli FPCB, vengono realizzati attraverso la deposizione successiva di film a spessore su un solo lato del substrato flessibile. La tecnica di realizzazione è paragonabile a quella che si usa nella stampa di un immagine multicolore, dove per ognuno dei colori sarà necessario impiegare un passaggio a se, a registro con quello precedente. Nel caso dei circuiti, la necessità del registro sarà dettata dalla presenza di connessioni tra uno strato e l’altro.

42 Fig. 14.2: Crossover Multistrato

In figura 14.2, è riportata, non in scala, una parte di un circuito multistrato , sezionato a livello di un crossover.

Oltre al substrato, in grigio, distinguiamo tre strati funzionali, corrispondenti ad altrettanti passaggi di stampa. Abbiamo infatti in rosso argento 1, stampato come primo colore, in verde isolante, stampato per secondo, ed in arancione argento 2, stampato come terzo colore. Sono evidenti le vie di collegamento tra i due livelli conduttivi, realizzate, in questo caso, interamente per mezzo della stampa, senza dover ricorrere ad alcun tipo di lavorazione meccanica. Infatti, l’isolante lascerà libere delle aree, nei punti di contatto, in modo che i due livelli di argento siano messi in comunicazione.

La situazione presentata è quella teorica, in cui, oltre ad esserci l’ideale registro di stampa, la superficie di ognuno degli strati è perfettamente piana. Nella realtà infatti si avrà che, avendo a che fare con film spessi, gli inchiostri costituenti gli strati con ordine di stampa superiori, si insinueranno negli spazi liberi creando dei dislivelli. La presenza di tali irregolarità, incide negativamente sul comportamento dei conduttori ottenuti. Il deposito di inchiostro infatti presenterà leggere variazioni

43 di altezza, che si tradurranno in alterazioni del valore della resistenza della pista, rispetto a quella preventivata, anche perché è pressoché impossibile determinare l’entità della variazione di conducibilità.

Fig. 15.2: Sezione reale Crossover

In figura 15.2, riportiamo quanto descritto sopra, il secondo strato di argento stampato, cioè quello che poggia sull’isolante, avrà superficie irregolare, e, naturalmente, il numero di irregolarità crescerà al crescere del numero di piste sottoposte. Per limitare il fenomeno descritto, è buona norma ridurre al minimo necessario la quantità e la lunghezza dei crossover in fase di realizzazione del layout.

2.6.2CIRCUITI DOPPIA FACCIA

In questo caso, gli strati funzionali sono presenti su entrambi i lati del dispositivo. Questo tipo di realizzazione, è spesso legato ad esigenze di natura tecnica, come ad esempio la necessità da parte del cliente di avere i componenti sul lato superiore, ed i contatti su quello inferiore, oppure la necessità di creare collegamenti interni tra substrati diversi, si pensi per esempio a schermi elettrostatici. Solo a fronte di un’esigenza di natura funzionale, possono infatti essere giustificate le complicazioni costruttive e di processo che questa tipologia di circuiti comporta.

La principale differenza, rispetto al caso dei circuiti multistrato, consiste nel fatto che i collegamenti tra i vari layer funzionali sono realizzati, non attraverso la stampa, ma per mezzo di lavorazioni meccaniche. Come nel caso dei più comuni PCB su FR4, infatti, le due facce del circuito comunicano mediante forature nel substrato, realizzate per mezzo di laser, e riempite dell’inchiostro conduttivo,