Guida alla progettazione di circuiti stampati

I circuiti stampati, noti anche come PCB, costituiscono il nucleo di ogni dispositivo elettronico odierno. Questi piccoli componenti verdi sono essenziali sia per gli elettrodomestici di uso quotidiano sia per i macchinari industriali. La progettazione e il layout dei PCB sono una componente importante del funzionamento di qualsiasi prodotto: è questo che determina il successo o il fallimento di un’apparecchiatura. Con la costante evoluzione della tecnologia, questi progetti hanno continuato a progredire. Oggi, la complessità e le aspettative relative a questi design hanno raggiunto nuovi livelli, grazie all’innovazione degli ingegneri elettrici.

I recenti progressi nei sistemi e nelle tecnologie di progettazione PCB hanno avuto effetti di vasta portata in tutto il settore. Di conseguenza,Regole di progettazione PCBe i processi di produzione si sono evoluti per ottenere nuovi layout e funzionalità. Oggi, piste più sottili e schede multistrato sono all’ordine del giorno nei PCB prodotti in massa: progetti di questo tipo sarebbero stati impensabili anni fa. Anche i software di progettazione PCB hanno contribuito a questa evoluzione. Questi programmi forniscono strumenti con cui gli ingegneri elettronici possono progettare PCB migliori partendo da zero.

Anche con queste capacità migliorate, i layout delle schede PCB sono difficili da progettare. Anche l’ingegnere elettronico più esperto può avere difficoltà a creare un circuito su una PCB o a progettare una scheda PCB secondo le migliori pratiche del settore. Ancora più difficile è realizzare una scheda di qualità che soddisfi le esigenze dei clienti. Con i progetti dei clienti, bilanciare la funzionalità della PCB con le migliori pratiche di progettazione è un processo complesso. Per questo abbiamo delineato il processo di progettazione delle PCB, includendo alcune regole essenziali di progettazione PCB.

Determinare la necessità

Il primo dei principali passaggi nella progettazione di un PCB è un’esigenza. Per la maggior parte degli ingegneri elettronici, questi requisiti sono dettati dal cliente, che elencherà tutte le specifiche che il PCB deve soddisfare. L’ingegnere elettronico deve quindi convertire le esigenze indicate dal cliente in forma elettronica. In sostanza, ciò significa tradurle in un linguaggio di logica elettronica, che è quello che l’ingegnere utilizzerà durante la progettazione del PCB.

Le esigenze del progetto determinano diversi aspetti della progettazione del PCB. Questo include tutto, dallamaterialiall'aspetto finale del PCB stesso. L'applicazione del PCB, come in ambito medico o automobilistico, spesso determinerà i materiali del PCB. Ad esempio, molti PCB medicali per impianti elettronici sono realizzati con basi flessibili. Questo permette loro di adattarsi a spazi ridotti e allo stesso tempo resistere a un ambiente organico interno. L'aspetto finale del PCB è determinato principalmente dai suoi circuiti e dalla sua funzionalità: per esempio, molti PCB più complessi sono realizzati con più strati.

L’ingegnere elettronico determinerà ed elencherà queste esigenze, quindi utilizzerà questo elenco di requisiti per progettare lo schema iniziale del PCB, nonché la BOM.

Schemi

Il progetto schematico è essenzialmente il modello che i produttori e gli altri ingegneri utilizzano durante i processi di sviluppo e produzione. Lo schema determina la funzione del PCB, le caratteristiche del progetto e il posizionamento dei componenti. L’hardware del PCB è inoltre elencato in questo schema. Questa attrezzatura include il materiale del PCB, i componenti coinvolti nel progetto e qualsiasi altro materiale di cui il produttore avrà bisogno durante il processo di produzione.

Tutte queste informazioni sono contenute nello schema durante la fase iniziale di progettazione. Dopo aver completato il primo schema, il progettista esegue un’analisi preliminare, verificando la presenza di potenziali problemi e modificandoli se necessario. Lo schema viene quindi caricato in uno strumento speciale per l’uso nel software di progettazione PCB, che può eseguire simulazioni per garantire la funzionalità. Queste simulazioni permettono agli ingegneri di individuare eventuali errori di progettazione che potrebbero essere sfuggiti durante il controllo iniziale dello schema. Successivamente, il progetto elettronico del circuito può essere convertito in una “netlist”, che elenca le informazioni sull’interconnettività dei componenti.

Durante la progettazione del loro schema, gli ingegneri elettronici dovrebbero tenere a mente fin dall’inizio alcuni fondamentali cruciali per la progettazione dei circuiti stampati. Alcune di queste considerazioni da applicare durante la fase di sviluppo dello schema includono le seguenti:

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• •Selezione delle dimensioni appropriate del pannello PCBLa scelta delle dimensioni della scheda più compatibili con le apparecchiature da utilizzare è una buona pratica di base, ma spesso dimenticata. In questo modo non si spreca spazio extra, le piste vengono mantenute alla lunghezza minima e i costi complessivi dei materiali restano relativamente bassi. È tuttavia importante assicurarsi che le specifiche di progettazione siano ottimizzate per la produzione di massa. Ridurre eccessivamente le dimensioni di una scheda potrebbe non essere praticabile per configurazioni di produzione in serie che generano una variazione tra i pezzi sufficiente a compromettere i progetti più piccoli.
• •Seleziona la griglia correttaLa spaziatura della griglia è sempre impostata e applicata in modo da adattarsi alla maggior parte dei componenti. Attenersi a questa griglia è una delle cose più utili che un ingegnere possa fare per evitare problemi di spaziatura, quindi scegliere quella migliore per il lavoro è fondamentale. Se alcuni componenti non funzionano altrettanto bene con la griglia, il progettista dovrebbe cercare di trovare alternative o, meglio ancora, utilizzare prodotti progettati da sé.
• •Implementare il DRC il più possibileMolte aziende di assemblaggio PCB commettono l’errore di eseguire il software di verifica delle regole di progettazione (DRC) solo alla fine del processo di progettazione. Questo permette che piccoli errori e scelte di progettazione discutibili si accumulino, con il risultato di un maggior lavoro correttivo alla fine del processo di progettazione. Invece, i progettisti dovrebbero controllare il proprio lavoro con un DRC tutte le volte che è praticabile. Ciò consente loro di affrontare i problemi individuati dal DRC il più rapidamente possibile e riduce al minimo il numero di modifiche massicce alla fine del processo di progettazione. Questo finisce per far risparmiare tempo e rendere più fluido il processo di revisione, in modo che non sia così sbilanciato verso la fase finale.

Distinta base

Durante la generazione dello schema, l’ingegnere elettronico elabora anche una distinta base dettagliata, o BOM. Questa è l’elenco dei componenti utilizzati nello schema del circuito stampato (PCB). Una volta completati sia la BOM che lo schema, l’ingegnere elettronico li passa a un layout engineer e a un component engineer. Questi ingegneri verificano le specifiche e procurano i componenti necessari per il progetto. In particolare, il component engineer è responsabile della scelta dei componenti che si adattino allo schema in termini di tensione e corrente massime di esercizio. È inoltre responsabile della selezione di apparecchiature che rientrino in parametri ragionevoli di costo e dimensioni.

I cinque aspetti più importanti che i componenti della BOM devono soddisfare includono i seguenti:

• •Quantità: Il numero di componenti acquistati deve soddisfare, come minimo, il numero di componenti elencati nella BOM.
• •Designatori di riferimentoOgni componente deve essere identificato in base alla sua posizione all'interno del circuito sul PCB.
• •ValoreOgni componente dovrebbe rientrare in uno specifico intervallo di valori, inclusi ohm, farad, ecc. Il costo è un fattore se rappresenta una preoccupazione per il cliente.
• •Impronta: L'ubicazione di ciascun componente deve essere elencata.
• •Numero di parte del produttore: Traccia il numero di parte in caso di malfunzionamento, sia per l'utilità degli assemblatori sia come riferimento per il produttore.

Oltre a queste linee guida di base per la BOM, è una buona idea tenere a mente alcune considerazioni durante la formulazione sia della BOM che dello schema in generale. Queste includono i seguenti suggerimenti per la progettazione PCB:

• •Integra componentiLa scelta dei componenti è uno dei compiti più importanti per un progettista. Per agevolare il processo, hai la possibilità di selezionare componenti discreti con valori elevati o bassi e con effetti simili. Integrando questi componenti e producendo una piccola categoria di valori standard, puoi semplificare efficacemente la distinta base e ridurre il costo del prodotto.


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• •Applicare un condensatore di disaccoppiamento: Non cercare mai di ottimizzare il tuo progetto eliminando le linee di alimentazione di disaccoppiamento. Molti progettisti evitano questi condensatori nel tentativo, mal riposto, di ridurre i costi. I condensatori hanno un prezzo basso e sono molto durevoli, aumentando la longevità del tuo progetto. I condensatori contribuiranno anche a mantenere l’ordine del tuo circuito stampato, pur mantenendo bassi i costi. Concentrati sui suggerimenti sopra se sei preoccupato per la tua BOM.

Posizionamento dei componenti PCB

Ogni componente dovrebbe avere il proprio posto designato su un progetto di circuito stampato. La scelta del posizionamento corretto è la parte più complicata. Determinare il posto migliore per un elemento dipende da numerosi fattori e considerazioni per il progettista, tra cui la gestione termica, le considerazioni sul rumore elettrico e la funzione complessiva del PCB. Nella maggior parte dei casi, tuttavia, i progettisti posizioneranno i componenti nel seguente ordine:

• • Connettori
• • Circuiti di potenza
• • Circuiti sensibili e di precisione
• • Componenti critici del circuito
• • Tutti gli altri elementi

Alcune ulteriori considerazioni di progettazione da tenere a mente durante questa fase del ciclo di progettazione includono le seguenti:

• •Identificare e suddividere i componenti critici e i punti di test richiestiSe è presente un componente preoccupante sul PCB, posizionalo vicino ai punti di test richiesti per una rilevazione dei guasti più tempestiva.
• •Applicare in modo flessibile la stampa serigrafica: La serigrafia può contrassegnare un'ampia gamma di informazioni da utilizzare dai produttori di PCB, dagli ingegneri, dagli assemblatori e dai collaudatori durante le varie fasi delProcesso di assemblaggio PCB. Sul serigrafato, è una buona idea indicare le funzionalità, i punti di test e le direzioni di posizionamento dei componenti e dei collegamenti. Cerca di applicare le serigrafie sia sulla parte superiore che su quella inferiore del circuito stampato per evitare lavori duplicati e, allo stesso tempo, chiarire le direzioni per gli assemblatori manuali, semplificando il processo di produzione.

Dopo che questi singoli componenti sono stati posizionati sul progetto del circuito stampato, è meglio effettuare un altro ciclo di test per verificare il corretto funzionamento della scheda. Questo aiuterà a individuare eventuali scelte di progettazione problematiche e a identificare eventuali possibili modifiche.

Instradamento

Una volta che i componenti sono stati posizionati sul PCB, il passo successivo nelle basi della progettazione PCB è collegarli tutti. Ogni elemento sulla scheda è collegato tramite piste, che vengono realizzate attraverso un instradamento appropriato. L’instradamento, tuttavia, richiede un proprio processo di progettazione, a causa delle numerose considerazioni che i progettisti devono tenere in conto. Questi fattori includono i livelli di potenza, la sensibilità al rumore di segnale, la generazione di rumore di segnale e la capacità di instradamento.

Per fortuna, la maggior parte dei software di progettazione PCB instraderà le piste utilizzando la netlist sviluppata dallo schema. Il programma lo fa utilizzando il numero di strati disponibili per le connessioni e calcolando i percorsi migliori per sfruttare lo spazio. Il programma modifica anche il progetto secondo necessità. Questo può richiedere molta potenza di calcolo, soprattutto per i modelli più grandi. Il risultato è un processo di instradamento più lungo: il programma può richiedere ancora più tempo quando i componenti sono disposti in una configurazione particolarmente densa.

Sebbene la maggior parte dei software per PCB instradi le piste in base alla netlist ricavata dallo schema, questo tipo di software non è universale. Non tutti i progettisti di PCB utilizzano software di instradamento automatico e, anche tra coloro che lo fanno, molti tendono a ricontrollare le piste per individuare eventuali problemi. Questa è comunque sempre una buona pratica, poiché persino i computer possono produrre risultati che al progettista non piacciono.

La regola generale per le piste è che quelle con una larghezza di 10–20 mil sono in grado di trasportare 10–20 mA di corrente. Le piste con larghezze di 5–8 mil, invece, possono trasportare correnti inferiori a 10 mA. Questa è una considerazione particolarmente importante per i progetti di PCB ad alta corrente o per i progetti di PCB con segnali che variano rapidamente, poiché instradarli verso nodi ad alta frequenza richiederà una larghezza specifica della pista.

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• •Distribuire correttamente le linee di alimentazione e di massaLa maggior parte dei progettisti di PCB dedicherà uno strato del circuito all’uso come piano di massa. Un altro sarà solitamente dedicato come piano di alimentazione. Questo aiuta a ridurre il livello di rumore nel PCB e consente al progettista di creare connessioni a bassa resistenza di sorgente. Una buona pratica di progettazione PCB è distribuire le linee in base al piano di alimentazione il più possibile. Questo contribuisce a migliorare l’efficienza e a ridurre l’impedenza, fornendo al contempo percorsi sufficienti per gli anelli di massa.
• •Mantieni tracce breviAssicurati che le tracce siano il più corte possibile in ogni fase della progettazione. Sebbene la maggior parte dei processi di assemblaggio PCB includa una fase di ottimizzazione della lunghezza delle tracce, questa pratica dovrebbe essere adottata in ogni fase del progetto. Questa regola deve essere osservata con ancora maggiore attenzione quando il progettista lavora con un circuito analogico o digitale ad alta velocità. Questi tipi di circuiti stampati, comunemente presenti nelle automobili e nei dispositivi di telecomunicazione, sono maggiormente influenzati da impedenza ed effetti parassiti.

Controlli

Verificare il progetto è probabilmente la fase più importante del processo di progettazione. Questo segmento del processo prende in considerazione ogni aspetto del progetto, alla ricerca di potenziali problemi che affliggono i progetti PCB.

Ad esempio, un problema comune nei progetti PCB è il calore. Un PCB con un design termico perfetto può mantenere l’intera scheda a una temperatura costante e uniforme, prevenendo i punti caldi. Tuttavia, tali punti caldi e le incoerenze di temperatura possono essere causati da numerose caratteristiche di progettazione, come variazioni dello spessore del rame, il numero di strati nel PCB, dimensioni maggiori della scheda PCB e la presenza o assenza di percorsi termici.

Un semplice controllo di progettazione può individuare potenziali problemi nella gestione del calore del PCB, e la maggior parte dei software DRC per PCB può rilevarli altrettanto bene. Esistono diversi metodi per ridurre le temperature operative del PCB, molti dei quali sono affrontati dai fondamenti della progettazione PCB. Alcuni di questi suggerimenti per la gestione del calore includono:

• • Collegare direttamente al punto caldo del PCB i piani di massa solidi o i piani di alimentazione con più strati. Questi piani sono in genere più in grado di dissipare il calore, poiché tendono a contenere una maggiore quantità di rame.
• • Stabilire percorsi efficaci per il calore e per le alte correnti per contribuire a indirizzare e dissipare il calore. Questo può aiutare a ottimizzare il trasferimento termico.
• • Massimizzare l’area utilizzata per il trasferimento di calore. Questo può aiutare a mantenere una temperatura più bassa su tutta la scheda. Tuttavia, è qualcosa che deve essere considerato nelle prime fasi del processo di progettazione, poiché può influire sulle dimensioni della scheda.

La maggior parte dei software DRC è in grado di rilevare i problemi sopra menzionati. Il software DRC acquisisce tutti i dettagli relativi al progetto di un PCB e determina se il layout soddisfa un elenco di parametri prestabiliti. Questi sono chiamati regole di progettazione PCB. Idealmente, come già accennato, il DRC dovrebbe essere utilizzato durante l’intero processo di progettazione per individuare tempestivamente le aree problematiche. Tuttavia, se tutto il resto fallisce, utilizzare il DRC dopo che tutto il resto è stato completato può far risparmiare molto tempo di progettazione e ridurre la confusione tra il progettista e l’azienda di assemblaggio.

La fase di verifica del processo di progettazione non include solo il controllo DRC, ma comprende anche diversi altri processi di verifica fisica, tra cui un controllo layout-versus-schematic (LVS), un controllo XOR, un controllo delle regole elettriche (ERC) e un controllo delle antenne. I produttori di PCB più avanzati possono utilizzare controlli e regole aggiuntivi per migliorare il rendimento, ma questi sono i controlli di base che progettisti e produttori utilizzano tipicamente.

Inoltre, è una buona pratica verificare i parametri di produzione prima dell’invio. Prima di sottoporre il progetto finale alla produzione, il progettista dovrebbe generare e verificare personalmente i parametri di produzione del PCB. Sebbene la maggior parte dei produttori sia disposta a scaricare e verificare i file di progetto per il proprio cliente, è meglio ricontrollare il progetto prima di inviarlo. Questo può aiutare a evitare qualsiasi confusione o malinteso e può prevenire perdite dovute a una produzione con parametri errati. Questo passaggio di verifica può anche velocizzare il processo, riducendo il tempo necessario per correggere e riverificare il progetto prima dell’inizio della produzione.

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