In quanto componente indispensabile dei prodotti elettronici, i circuiti stampati (PCB) svolgono un ruolo chiave nell’implementazione delle funzionalità dei prodotti elettronici, il che conferisce un’importanza di primo piano alla progettazione dei PCB, poiché le prestazioni del progetto di PCB determinano direttamente le funzioni e i costi dei prodotti elettronici. Un’eccellente progettazione di PCB è in grado di tenere i prodotti elettronici lontani da numerosi problemi, garantendo così che i prodotti possano essere fabbricati senza intoppi e siano in grado di soddisfare tutte le esigenze delle applicazioni pratiche.
Tra tutti gli elementi che contribuiscono alla progettazione PCB, il Design for Manufacture (DFM) è sicuramente uno fondamentale poiché collega la progettazione PCB eProduzione di PCBin modo che i problemi vengano individuati precocemente e risolti tempestivamente durante l’intero ciclo di vita dei prodotti elettronici. È stato un mito che la complessità della progettazione PCB aumenti quando la producibilità dei prodotti elettronici viene presa in considerazione nella fase di progettazione del PCB. Quando si tratta del ciclo di vita della progettazione di prodotti elettronici, la DFM non solo consente ai prodotti elettronici di essere integrati senza problemi nella produzione automatizzata, riducendo i costi di manodopera durante il processo di produzione, ma può anche abbreviare efficacemente i tempi di produzione per garantire il completamento puntuale dei prodotti elettronici finali.
Produttività dei PCB
La progettazione per la produzione è un elemento chiave che porta a una produzione ad alta efficienza, alta qualità e basso costo, ora che la producibilità e la progettazione PCB sono combinate. Lo studio della producibilità dei PCB presenta un’ampia gamma di aspetti che, in generale, possono essere classificati in fabbricazione di PCB e assemblaggio di PCB.
• Fabbricazione di PCB
Per quanto riguarda la fabbricazione dei PCB, occorre prendere in considerazione i seguenti aspetti: dimensioni del PCB, forma del PCB, binario tecnico e riferimento fiduciale. Se questi aspetti non vengono pienamente considerati nella fase di progettazione del PCB, è possibile che i circuiti stampati prodotti non possano essere accettati dal montatore automatico di componenti a meno di ricorrere a misure di lavorazione aggiuntive. Ancora peggio, alcune schede potrebbero non essere affatto compatibili con la produzione automatizzata, richiedendo il ricorso alla saldatura manuale. Di conseguenza, il periodo di produzione si prolungherà e i costi di manodopera aumenteranno.
a. Dimensioni PCB
Ogni montatrice di chip ha le proprie dimensioni richieste per il PCB, che differiscono tra loro in base ai parametri di ciascuna macchina. Ad esempio, la dimensione massima del PCB accettata dalla montatrice di chip in PCBCart è 500 mm * 450 mm, mentre la dimensione minima del PCB è 30 mm * 30 mm. Ciò non significa che non possiamo gestire l’assemblaggio di PCB più piccoli di 30 mm * 30 mm e, quando sono richieste dimensioni inferiori, si può ricorrere ai pannelli. Le montatrici di chip non accettano mai PCB che siano troppo grandi o troppo piccoli, nel qual caso ci si può affidare solo al montaggio manuale, con l’aumento dei costi di manodopera e il periodo di produzione fuori controllo. Pertanto, durante la fase di progettazione del PCB, è necessario considerare pienamente i requisiti di dimensione del PCB stabiliti dalla produzione con montaggio automatico e la dimensione deve essere mantenuta entro un intervallo valido.
L'immagine seguente mostra un file di progettazione di un pannello PCB completato tramite software EDA. Come pannello 5x2, ogni unità quadrata è una singola scheda con dimensioni di 50 mm * 20 mm. Il collegamento tra ciascuna unità singola è realizzato tramite tecnologia di V-cut/V-scoring. In questa immagine, l'intero quadrato mostra la dimensione finale del pannello, che è 100 mm * 100 mm. In base al requisito di dimensione del pannello menzionato sopra, si può concludere che la dimensione del pannello rientra nell'intervallo accettabile.
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b. Forma del PCB
Oltre alle dimensioni del PCB, tutti i posizionatori di componenti impongono requisiti anche in termini di forma del PCB. La forma ordinaria del PCB dovrebbe essere un rettangolo il cui rapporto tra lunghezza e larghezza sia 4:3 o 5:4, che sono ottimali. Quando un PCB presenta una forma irregolare, è necessario adottare misure aggiuntive prima dell’assemblaggio SMT, con conseguente aumento dei costi. Per evitare che ciò accada, i PCB devono essere progettati con una forma ordinaria già nella fase di progettazione, in modo da soddisfare i requisiti SMT. Tuttavia, ciò è difficilmente realizzabile nelle situazioni pratiche. Quando alcuni prodotti elettronici devono avere una forma irregolare, è necessario utilizzare fori a strappo e ponticelli per far sì che la forma finale del PCB risulti ordinaria. Dopo l’assemblaggio, la parte in eccesso può essere rimossa dal PCB, soddisfacendo così sia i requisiti del montaggio automatico sia quelli di spazio.
L’immagine seguente indica un PCB di forma irregolare con bordo di lavorazione aggiunto tramite software EDA. L’intera scheda misura 80 mm × 52 mm, mentre l’area quadrata è la dimensione del PCB effettivo. L’area nell’angolo in alto a destra misura 40 mm × 20 mm, ed è il bordo di lavorazione risultante dai fori di stampaggio più il ponte.
c. Binario tecnico
Al fine di soddisfare le esigenze della produzione automatizzata,binario tecnicodeve essere posizionato sui PCB per fissare i PCB.
Durante la fase di progettazione del PCB, è necessario lasciare in anticipo un binario tecnico largo 5 mm, privo di componenti e piste. È comune posizionare il binario tecnico sul lato più corto del PCB, ma il lato più corto può essere scelto quando il rapporto tra lunghezza e larghezza supera l’80%. Il binario tecnico verrà rimosso dopo l’assemblaggio, in quanto svolge un ruolo di supporto alla produzione.
d. Marchio di riferimento
Per i PCB con componenti montati, è necessario aggiungere dei riferimenti fiduciali come punti di riferimento comuni, in modo che ogni apparecchiatura di assemblaggio possa determinare con precisione le posizioni dei componenti. Pertanto, i riferimenti fiduciali sono punti di riferimento fondamentali della produzione SMT, indispensabili per la produzione automatizzata.
I componenti richiedono 2 riferimenti fiduciali, mentre i PCB ne richiedono 3, che devono essere posizionati sul bordo della scheda PCB e coprire tutti i componenti SMT. La distanza tra il centro del riferimento fiduciale e il bordo della scheda deve essere di almeno 5 mm. Per i PCB con componenti SMT su entrambi i lati, i riferimenti fiduciali devono essere presenti su entrambi i lati. Se i componenti sono disposti troppo fittamente per poter collocare i riferimenti fiduciali sulla scheda, questi possono essere posizionati sulla guida tecnica.
• Assemblaggio PCB
L’assemblaggio PCB, abbreviato in PCBA, è in realtà il processo di saldatura dei componenti su schede PCB nude. Per soddisfare i requisiti della produzione automatizzata, l’assemblaggio PCB stabilisce alcuni requisiti sul package dei componenti e sul layout dei componenti.
a. Pacchetto componente
Durante il processo di progettazione del PCBA, se il package del componente non è conforme agli standard appropriati e la distanza tra i componenti è troppo ridotta, il montaggio automatico non verrà eseguito.
Per ottenere il package ottimale per i componenti, è necessario utilizzare un software di progettazione EDA professionale, in modo da essere compatibili con gli standard internazionali dei package dei componenti. Nel processo di progettazione PCB, l’area della vista dall’alto non deve mai sovrapporsi ad altre aree e i montatori automatici di circuiti integrati saranno in grado di riconoscere con precisione ed eseguire il montaggio superficiale.
b. Layout dei componenti
Il layout dei componenti è un compito importante nella progettazione PCB perché le sue prestazioni sono direttamente associate all’aspetto delle PCB e al livello di complessità del processo di produzione.
Durante il processo di posizionamento dei componenti, è necessario determinare i lati di assemblaggio per i componenti SMD e THD. Qui, impostiamo il lato frontale del PCB come lato componente A, mentre il lato posteriore come lato componente B. Il posizionamento dei componenti deve tenere conto della forma di assemblaggio, includendo assemblaggio monostrato a singolo tipo di package, assemblaggio a doppio strato a singolo tipo di package, assemblaggio monostrato a package misti, assemblaggio lato A a package misti e lato B a singolo package, e assemblaggio lato A THD e lato B SMD. I diversi tipi di assemblaggio richiedono differenti processi e tecnologie di produzione. Pertanto, per quanto riguarda il posizionamento dei componenti, si dovrebbe scegliere una disposizione ottimale dei componenti per rendere la produzione semplice e agevole, migliorando l’efficienza produttiva dell’intero processo.
Inoltre, è necessario prendere in considerazione l’orientamento del layout dei componenti, la spaziatura tra i componenti, la dissipazione termica e l’altezza dei componenti.
In generale, l’orientamento dei componenti deve rimanere coerente. Il layout dei componenti deve rispettare il principio della distanza di tracciatura più breve, sulla base del quale l’orientamento di polarità deve essere uniforme per i componenti con marcature di polarità, mentre i componenti privi di marcature di polarità devono essere disposti ordinatamente sull’asse X o Y. L’altezza dei componenti non deve superare i 4 mm, mentre la direzione di trasmissione dei componenti e del PCB deve mantenere un angolo di 90°.
Per migliorare la velocità di saldatura dei componenti e facilitare i controlli successivi, la spaziatura tra i componenti deve essere uniforme. I componenti appartenenti alla stessa rete devono essere ravvicinati, mentre tra reti diverse deve essere mantenuta una distanza di sicurezza in base alla caduta di tensione. Serigrafia e pad non devono mai sovrapporsi, altrimenti i componenti non potranno essere montati.
I problemi di dissipazione termica devono essere presi in considerazione in base alla temperatura di esercizio effettiva del PCB e alle proprietà termiche dei componenti elettrici. Il posizionamento dei componenti deve privilegiare la dissipazione del calore, mentre ventole o dissipatori di calore devono essere utilizzati quando necessario. Devono essere selezionati dissipatori di calore adeguati per i componenti di potenza e i componenti sensibili alla temperatura devono essere posizionati lontano da quelli che generano calore. I componenti alti devono essere collocati dietro quelli bassi.
Ci sono ancora ulteriori dettagli su cui occorre concentrarsi riguardo al DFM dei PCB, e l’esperienza deve essere accumulata nella pratica. Ad esempio, la progettazione di PCB per segnali ad alta velocità richiede requisiti speciali per l’impedenza, che dovrebbero essere discussi con il produttore delle schede prima della produzione effettiva, in modo da determinare l’impedenza e le informazioni sullo stackup degli strati. Per la preparazione alla produzione di alcuni PCB di piccole dimensioni e con tracciati densi, le capacità produttive in termini di larghezza minima delle piste e diametro minimo dei via dovrebbero essere discusse con il produttore di PCB per garantire una produzione regolare di tali schede.
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