Processo e linee guida per la progettazione del layout dei PCB

Lo sviluppo di un layout di PCB è analogo al completamento di un'opera d'arte. Per creare qualcosa di veramente unico nel suo genere, gli ingegneri potrebbero impiegare giorni, settimane o addirittura mesi per progettare questi schemi. Tuttavia, con l'aiuto di software e strumenti di progettazione, potete provare a progettare e creare i vostri layout di PCB, anche se non siete ingegneri professionisti.

L'inizio del processo di costruzione di un layout di PCB può sembrare intimidatorio; tuttavia, se iniziate con progetti semplici e vi concedete molto tempo per esercitarvi, imparerete presto a diventare degli esperti.

In qualità di produttore esperto di PCB, più di 25% del File Gerber che riceviamo presentano vari tipi di problemi, come informazioni ambigue o mancanti, regole di progettazione contrastanti e specifiche di dati contrastanti. Per aiutarvi a migliorare l'efficacia dei vostri processi di progettazione e produzione, abbiamo scritto questa linea guida per la progettazione di PCB come lista di controllo per garantire la correttezza del vostro progetto.

Questo articolo tratta i fondamenti del layout di una PCB, il processo di progettazione e le numerose variabili da considerare durante la progettazione di una PCB. Che siate principianti o progettisti esperti, qui troverete informazioni preziose.

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Fondamenti di progettazione di PCB

Che cos'è il layout dei circuiti stampati?

Il layout di un circuito stampato è la disposizione dei vari componenti su una scheda a circuito stampato (PCB). È una fase cruciale della progettazione dei circuiti elettronici, in quanto determina come i componenti saranno fisicamente collegati e come interagiranno tra loro.

In un layout di PCB, componenti come resistenze, condensatori, transistor e circuiti integrati vengono posizionati sul PCB secondo uno schema specifico per creare il circuito desiderato. Il layout comprende anche l'instradamento delle tracce, che sono i percorsi conduttivi che collegano i componenti e permettono all'elettricità di fluire attraverso il circuito.

Il layout di un PCB viene solitamente creato utilizzando un software CAD, che consente al progettista di posizionare i componenti sul PCB, specificare le connessioni tra di essi e generare automaticamente l'instradamento delle tracce. Il layout finale viene quindi utilizzato per creare un PCB fisico attraverso Fabbricazione di PCB.

Elementi essenziali del layout di un PCB

Componente: I componenti del circuito, come circuiti integrati (IC)I componenti, le resistenze, i condensatori, i connettori e altri dispositivi elettronici, vengono posizionati sul layout della scheda. Ogni componente ha requisiti elettrici e meccanici specifici che devono essere presi in considerazione durante il posizionamento.
Tracce: Le tracce, note anche come tracciati o percorsi conduttivi, sono linee di rame che collegano i componenti sul layout del PCB. Le tracce trasportano i segnali elettrici e l'alimentazione tra le diverse parti del circuito. Vengono instradate per garantire la corretta integrità del segnale, ridurre al minimo le interferenze e assicurare la connettività elettrica.
Tappetini e fori passanti: Le piazzole sono aree metallizzate sul PCB dove i componenti vengono saldati o montati in superficie. Forniscono connessioni elettriche tra i componenti e le tracce del PCB. I fori di passaggio sono fori placcati che collegano diversi strati del PCB, consentendo il passaggio delle tracce.
Strati di rame: I PCB sono costituiti da più strati di rame. Questi strati sono tipicamente inseriti tra strati isolanti del materiale del substrato del PCB. Gli strati di rame forniscono i percorsi conduttivi per le tracce, i piani di alimentazione e i piani di terra all'interno del PCB.
Piani di potenza e di terra: I piani di alimentazione sono ampie aree di rame sul PCB dedicate al trasporto delle tensioni di alimentazione. Piani di terra sono aree di rame di dimensioni analoghe che forniscono un percorso di ritorno a bassa impedenza per il flusso di corrente. Questi piani aiutano a distribuire la potenza e a mantenere l'integrità del segnale, riducendo il rumore e le cadute di tensione.
Designatori e annotazioni: I designatori, come i designatori di riferimento e i numeri di parte, sono etichette associate a ciascun componente del PCB. Le annotazioni possono includere note, commenti o specifiche aggiuntive per facilitare la comprensione e l'assemblaggio del PCB.
Zone di esclusione: Le zone di esclusione sono aree designate sul layout del PCB in cui non devono essere collocati componenti, tracce o altri elementi. Queste zone assicurano uno spazio adeguato per le considerazioni meccaniche, prevengono le interferenze elettriche e mantengono gli standard di sicurezza.

Layout di PCB vs. progettazione di PCB

Layout di PCB e progettazione di PCB sono termini strettamente correlati, ma si riferiscono ad aspetti leggermente diversi del processo complessivo di creazione di un circuito stampato (PCB).

Layout del PCB si riferisce al disposizione fisica e posizionamento di componenti elettronici, tracce e altri elementi su un circuito stampato. Comporta la determinazione della posizione e dell'orientamento ottimali dei componenti, la progettazione dei percorsi di instradamento delle connessioni elettriche (tracce) e la considerazione di fattori quali l'integrità del segnale, la gestione termica e la producibilità. Il layout del PCB riguarda principalmente la disposizione spaziale e l'interconnessione dei componenti sulla scheda.
D'altra parte, Progettazione di PCB comprende un ambito più ampio che comprende sia il layout della scheda che la progettazione schematica. La progettazione di circuiti stampati comporta la creazione di un diagramma schematico, che è una rappresentazione grafica della funzionalità del circuito e delle interconnessioni, e la successiva traduzione dello schema in un layout fisico sul circuito stampato. Comprende l'intero processo di progettazione del circuito, la pianificazione del layout e la preparazione dei file PCB per la produzione.

Strumenti EDA per la progettazione di PCB

L'Electronic Design Automation o EDA è un gruppo di strumenti software utilizzati per la progettazione e il collaudo di circuiti stampati. Gli strumenti EDA sono utilizzati per generare il layout fisico di un dispositivo elettronico attraverso le specifiche di posizionamento di ciascun componente sulla scheda. L'accuratezza dei progetti, la verifica degli errori e il rispetto degli standard di produzione possono essere ottenuti attraverso l'uso di strumenti EDA. I cinque strumenti EDA più importanti per la progettazione di un PCB sono i seguenti:

Progettista Altium: Altium Designer è un software completo per la progettazione di PCB che offre acquisizione di schemi, layout di PCB, modellazione 3D, analisi dell'integrità del segnale e output di produzione. Offre un ambiente integrato per la progettazione di PCB complessi con un'interfaccia di facile utilizzo.
Cadenza Allegro: Cadence Allegro è una potente suite di strumenti EDA che comprende funzioni di inserimento di schemi, layout di PCB, analisi dell'integrità del segnale, analisi dell'integrità della potenza e preparazione alla produzione. Offre funzionalità avanzate per progetti ad alta velocità e ad alta densità.
PADS di Mentor Graphics: PADS di Mentor Graphics è un famoso software per la progettazione di PCB che fornisce l'acquisizione di schemi, la progettazione di layout, la gestione dei vincoli, l'analisi dell'integrità del segnale e della potenza e le uscite di produzione. Offre un'interfaccia intuitiva adatta sia ai principianti che ai progettisti esperti.
KiCad: KiCad è una suite di strumenti EDA open-source che offre acquisizione di schemi, layout di PCB, modellazione 3D e ampie librerie di componenti. È ampiamente utilizzato per progetti hobbistici e progetti di PCB su piccola scala e rappresenta un'opzione economica per la progettazione di PCB.
Autodesk Eagle: Autodesk Eagle è un popolare strumento di progettazione di PCB noto per la sua facilità d'uso e accessibilità. Offre acquisizione di schemi, layout di PCB, modellazione 3D e ampie librerie di componenti. È ampiamente utilizzato da hobbisti, maker e progetti di progettazione su piccola scala.

Questi sono solo alcuni esempi degli strumenti EDA disponibili per la progettazione di PCB. La scelta dello strumento dipende da fattori quali la complessità del progetto, le caratteristiche richieste, il budget e le preferenze personali. È consigliabile valutare le esigenze specifiche del progetto PCB ed esplorare le caratteristiche, le opzioni di licenza e il supporto fornito dai diversi fornitori di strumenti EDA prima di fare una scelta.

Processo di progettazione del layout della PCB

Dal momento in cui ci si rende conto di aver bisogno di un PCB fino al momento in cui si spedisce il prodotto finito, la progettazione del layout del PCB è parte integrante del processo di produzione dei circuiti stampati. Il processo di progettazione del layout del PCB prevede 5 fasi.

Fase 1: Concetto iniziale

Il concetto iniziale, che viene dopo aver confermato che è necessario un PCB o un servizio di PCB, consiste nel definire un concetto definitivo per la scheda. Durante questa prima fase, si definiscono le funzioni che la scheda avrà ed eseguirà, le sue caratteristiche, l'interfaccia con altri circuiti, il posizionamento nel prodotto finale e le dimensioni approssimative. Inoltre, è necessario pensare all'intervallo di temperatura in cui la scheda dovrà funzionare e a qualsiasi altra considerazione ambientale.

Fase 2: progettazione schematica

La fase successiva consiste nel disegnare il diagramma del circuito o lo schema in base al concetto finale scelto. Questo schema contiene tutte le informazioni necessarie per il corretto funzionamento dei componenti elettrici della scheda. In questo schema sono inclusi particolari come i nomi dei componenti, i loro valori, i loro valori nominali e i numeri di parte del produttore.

Verrà generato il file distinta base secondo lo schema. Questo distinta base (BOM) fornisce dettagli su tutti i componenti che devono essere inclusi nel PCB. Assicuratevi sempre che questi due documenti contengano le informazioni più recenti.

Fase 3: collocazione dei componenti

L'ultima fase della progettazione del layout della PCB è chiamata posizionamento dei componentie consiste nel decidere in quale punto della scheda collocare ogni singolo componente. In molti casi, è possibile che si debbano effettuare numerose iterazioni per modificare la posizione dei componenti. L'orientamento corretto e la scelta della posizione adeguata sono considerazioni fondamentali in questa fase.

Fase 4: Instradamento e test

Successivamente, si determina l'instradamento e la priorità di instradamento del circuito. Una volta terminato il progetto, è necessario sottoporlo a una serie di test per verificare che soddisfi tutti i requisiti. In caso affermativo, il processo di progettazione è terminato. In caso contrario, sarete costretti a ricominciare le fasi durante le quali dovrete apportare delle correzioni.

Fase 5: DRC / DFM

La verifica delle regole di progettazione (DRC) è una fase importante del processo di progettazione dei PCB per soddisfare i requisiti di produzione e di prestazione.

Larghezza e distanza delle tracce: Include la convalida delle larghezze e delle distanze delle tracce per soddisfare i requisiti del produttore.
Spaziatura dei componenti: Uno degli obiettivi principali del DRC è quello di garantire un'accurata spaziatura tra i componenti, un criterio importante del DRC.
Controllo della serigrafia e della maschera di saldatura: Per garantire la flessibilità e la regolazione, il DRC viene applicato per controllare gli strati della serigrafia e della maschera di saldatura.

Progettazione per la producibilità (DFM) ha lo scopo di garantire che il progetto del PCB possa essere prodotto in modo efficiente e accurato. Questo processo è fondamentale per ridurre il rischio di difficoltà di produzione, tagliare le spese e creare un prodotto migliore al prezzo più basso. Il controllo DFM comprende molti aspetti e processi critici:

Verifica del posizionamento: Questa fase assicura che i componenti siano disposti sul layout del PCB in modo tale da permettere assemblaggio efficiente riducendo al minimo gli errori. È inoltre fondamentale controllare le dimensioni dei pad dei componenti e lo spazio tra di essi.
Controllare i vias: garantiscono connessioni robuste e resistono al processo di produzione.
Evitare le trappole acide: Quando si tracciano le tracce di un circuito stampato, è necessario evitare gli angoli acuti, poiché possono causare gravi complicazioni durante la pulizia dei prodotti chimici per l'incisione dalla scheda, con conseguente perdita di spessore delle tracce. Assicurandosi che gli angoli tra le tracce siano sempre inferiori a 90 gradi, si evita la delaminazione delle tracce dalla scheda durante la fabbricazione del PCB.

Di seguito è riportata una tabella che illustra violazioni comuni dei principi del Design for Manufacturability (DFM) e i fattori che vi contribuiscono:

Problema	Fattori
Larghezza e spaziatura delle tracce inadeguate	Mancata considerazione delle tolleranze del processo di produzione Selezione impropria del materiale Controlli inadeguati delle regole
Posizionamento irragionevole dei componenti	Tolleranze dimensionali Scarsa pianificazione del layout Limiti dello strumento di progettazione
Dimensioni dei fori non corrette	Mancata considerazione delle tolleranze di fabbricazione Specifiche dei fori non corrette Controlli inadeguati delle regole
Problemi di controllo dell'impedenza	Mancata considerazione delle tolleranze di fabbricazione Caratteristiche del materiale Regole di cablaggio
Problemi di progettazione delle piazzole di saldatura	Controlli inadeguati delle regole Tolleranze dimensionali inadeguate delle piazzole di saldatura Selezione impropria del materiale
Selezione impropria del materiale	Insufficiente comprensione delle proprietà dei materiali e dei requisiti di produzione Vincoli di selezione dei materiali
Limiti del processo di produzione	Conoscenza insufficiente dei processi e delle tecniche di produzione da parte del personale di progettazione Mancanza di collaborazione con i produttori
Problemi di compatibilità elettromagnetica	Progettazione impropria della messa a terra Considerazione inadeguata dei fili di terra e dei piani di alimentazione del layout

Considerazioni sulla progettazione per il layout dei circuiti stampati

Quando si tratta di layout e progettazione di circuiti stampati, ci sono molti aspetti da considerare. Di seguito sono riportate sette considerazioni importanti da tenere a mente:

Scheda PCB e numero di strati

Le restrizioni relative alla scheda nuda dovrebbero essere le prime ad essere prese in considerazione.

È necessario determinare le dimensioni della scheda e i suoi contorni, assicurandosi che ci sia spazio sufficiente sulla scheda per il circuito. Le dimensioni del prodotto finale, la funzionalità che la scheda deve offrire e diversi altri criteri contribuiscono a determinare le dimensioni della scheda.

Prima di iniziare il processo di progettazione, fate una previsione accurata delle dimensioni della lavagna. Se non si dispone di spazio sufficiente per tutte le funzionalità necessarie con un design più elementare, si può essere costretti a utilizzare un design che sia o multistrato o interconnessione ad alta densità (HDI).

Il tipico PCB ha la forma di un rettangolo. Questa continua ad essere, con un margine significativo, la forma più popolare per i PCB. Tuttavia, quando le dimensioni del circuito stampato sono limitate o sono richiesti circuiti irregolari, i progettisti di PCB utilizzano forme alternative.

Un altro aspetto essenziale da considerare è il numero di strati necessari, che sarà determinato dai livelli di potenza e dalla complessità del progetto. È nel vostro interesse determinare il numero di strati necessari fin dalle prime fasi del processo di progettazione del piano. È possibile che l'aggiunta di ulteriori strati faccia aumentare i costi di produzione, ma in questo modo si potranno incorporare più tracce. È possibile che tavole più complicate e con un numero maggiore di tracce capacità lo richiederà.

Quando si realizzano transizioni di strato per percorsi ad alta corrente, bisogna sempre assicurarsi di utilizzare almeno due vias. L'utilizzo di numerosi vias nelle transizioni di strato aumenta l'affidabilità, migliora la conduttività termica e riduce le perdite induttive e resistive.

Fabbricazione e installazione

È inoltre necessario riflettere sulle procedure di produzione che si desidera utilizzare per creare la tavola che si desidera realizzare. Le limitazioni e le restrizioni che si presentano con le varie procedure variano da una all'altra. Sul circuito stampato, è necessario utilizzare fori o punti di riferimento compatibili con il sistema di controllo. processo di produzione. Verificare sempre che i fori siano liberi da qualsiasi componente.

Inoltre, è essenziale verificare che la tecnologia utilizzata per il circuito stampato sia valida. L'utilizzo di diversi tipi di tecnologia, come i componenti a foro passante e a montaggio superficiale, potrebbe comportare un aumento del prezzo delle schede; tuttavia, questo approccio può essere essenziale in alcune circostanze. Assicuratevi sempre di verificare con il vostro fabbricante che sia in grado di costruire il tipo di scheda che desiderate, chiedendoglielo direttamente. Alcune aziende, ad esempio, potrebbero non essere in grado di costruire schede di circuiti con un design flessibile o con un design che contiene diversi strati.

Organizzazione dei componenti

Disponendo sistematicamente i componenti in modo sensato, è possibile ridurre il numero di passaggi necessari per l'assemblaggio, aumentando la produttività e riducendo le spese. L'obiettivo dovrebbe essere quello di posizionare tutti i componenti a montaggio superficiale su un lato della scheda e tutti i componenti a foro passante sul lato superiore della scheda.

Se possibile, evitare di posizionare sul lato della saldatura della scheda a circuito stampato (PCB) i componenti che si troveranno dietro i componenti placcati a foro passante. Quando si installano i componenti, si dovrebbe cercare di allineare quelli analoghi nella stessa direzione. In questo modo, il processo di saldatura diventerà più efficace e contribuirà a ridurre il numero di errori.

Considerazioni sul tracciamento

Le migliori pratiche per il layout dei circuiti stampati impongono di inserire sempre tracce corte e diritte tra i componenti, ovunque sia possibile; tuttavia, è possibile che ciò non sia sempre possibile in schede di grandi dimensioni. Se la posizione dei componenti richiede l'inserimento di tracce orizzontali su un lato della scheda, è necessario inserire sempre le tracce verticali sull'altro lato della scheda. Questa è una delle tante linee guida fondamentali per la progettazione di una scheda PCB a 2 strati.

Più strati ci sono nel vostro stack up, più complicate diventano le regole e i principi di progettazione dei circuiti stampati e di posa dei PCB. Se non si suddivide ogni strato di segnale con un piano di riferimento, la strategia di instradamento richiederà l'alternanza di tracce orizzontali e verticali in strati alternati. Se si progettano schede particolarmente complesse per usi speciali, è necessario attenersi agli standard di progettazione delle schede PCB specifici per l'applicazione.

Traccia di alimentazione, terra e segnale

Dopo l'installazione dei componenti, il passo successivo consiste nell'instradare le tracce di alimentazione, di terra e di segnale in modo che il percorso dei segnali sia libero e privo di interferenze.

A questo punto del processo di stesura del documento, è importante tenere a mente le seguenti linee guida:

L'alimentazione e la massa sono spesso collocate su livelli interni separati, poiché questa è la configurazione più comune. È possibile che su una scheda a due strati non sia così semplice, nel qual caso si dovrà posizionare un piano di massa enorme su uno dei livelli e quindi instradare le tracce dei segnali e dell'alimentazione sull'altro livello.

Invece di tentare di instradare le tracce di terra, è necessario utilizzare i piani di terra quando si lavora con stackup di circuiti stampati con quattro o più strati. È consigliabile che i componenti che richiedono connessioni dirette all'alimentazione utilizzino binari comuni per ogni alimentazione, se non si utilizza un piano di massa; assicurarsi che le tracce siano sufficientemente grandi (100 mil sono sufficienti per 5-10 A) e non collegare a margherita le linee di alimentazione da un componente all'altro.

Esistono alcune linee guida che indicano che il posizionamento degli strati di piano deve essere simmetrico, anche se questo non è un requisito necessario per la produzione. È possibile che ciò sia necessario per le schede di grandi dimensioni per ridurre la probabilità di deformazione, ma non sarà un problema per le schede più piccole. Prima di preoccuparsi di mantenere una perfetta simmetria nello stack up del PCB, è necessario assicurarsi di avere accesso all'alimentazione e alla messa a terra e che tutte le tracce abbiano un forte percorso di ritorno che si accoppi al piano di terra più vicino.

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Conclusione

La progettazione di PCB è un metodo complicato che richiede una specializzazione in elettronica, progettazione di circuiti, integrità del segnale e strumenti software EDA. La progettazione di un PCB è l'intera procedura di generazione di un circuito stampato attraverso l'assistenza e l'integrazione di numerosi settori, come quello elettrico, meccanico, software, di sistema, di test e di produzione. Un PCB ben progettato è essenziale per il raggiungimento, l'accuratezza e la producibilità dei dispositivi elettronici per la tecnologia moderna.