Che cos’è la progettazione PCB? La progettazione PCB si riferisce alla progettazione di circuito stampato. La progettazione di circuiti stampati si basa su schemi circuitali per realizzare le funzionalità richieste dal progettista del circuito. La progettazione PCB costituisce il processo di costruzione della struttura fisica dei prodotti elettronici, trasformando schemi circuitali astratti in layout fisici producibili che influiscono direttamente sulle prestazioni, sui costi e sull’affidabilità dei dispositivi.
La progettazione PCB riguarda principalmente la progettazione del layout, che richiede la considerazione della disposizione dei collegamenti esterni, il posizionamento ottimizzato dei componenti elettronici interni, l’instradamento efficiente delle tracce metalliche e dei via, la schermatura elettromagnetica, la dissipazione termica e vari altri fattori. Un eccellente layout di progettazione può ridurre i costi di produzione, ottenendo al contempo prestazioni superiori del circuito e una migliore dissipazione del calore. I layout semplici possono essere realizzati manualmente, mentre i progetti complessi richiedono l’uso di software di progettazione assistita da computer (CAD).
La qualità di un PCB determina direttamente il successo o il fallimento di un prodotto elettronico, rendendo fondamentale un solido processo di progettazione dei PCB. Molti ingegneri credono erroneamente che la progettazione PCB consista semplicemente nel disporre i componenti e collegarne i pin. Si tratta di una prospettiva limitata; un solido processo di progettazione PCB inizia durante la progettazione schematica e comprende decisioni quali la selezione di soluzioni appropriate e componenti elettronici adeguati.
Il processo comprende in particolare: progettazione schematica; esportazione e importazione di netlist schematiche; importazione di disegni meccanici; progettazione e modifica dello stackup; pre-simulazione per l’integrità del segnale (SI)/integrità dell’alimentazione (PI); layout del PCB; importazione delle regole di vincolo di progettazione; instradamento del PCB; post-simulazione per l’integrità del segnale (SI)/integrità dell’alimentazione (PI)/compatibilità elettromagnetica (EMC)/analisi termica; controlli di progettazione per la producibilità (DFM); e generazione di file di produzione (Gerber).
Queste attività possono essere svolte da un singolo ingegnere o in collaborazione da più ingegneri. Naturalmente, il flusso di lavoro di progettazione PCB varia a seconda dei prodotti, con requisiti specifici che determinano l’approccio. Controlli di progettazione per la producibilità (DFM). Generazione di file di produzione (Gerber). Queste attività possono essere completate da un singolo ingegnere o in collaborazione da più ingegneri. Naturalmente, il processo di progettazione PCB non è identico per tutti i prodotti; prodotti specifici possono perfezionare, aumentare o ridurre questo flusso di lavoro a seconda delle necessità.
Software comuni per la progettazione PCB
I software per la progettazione PCB più diffusi includono:
Altium Designer, che offre funzionalità complete dalla progettazione schematica al layout del PCB, alla generazione di pacchetti e all’analisi dell’integrità del segnale. Il suo ambiente visivo e la sua vasta libreria di strumenti facilitano una progettazione efficiente;
Cadence Allegro, uno strumento di livello professionale ampiamente adottato nel settore, supporta la progettazione di circuiti RF e segnali digitali ad alta velocità con solide capacità di simulazione e collaborazione multiutente;
Mentor PADS è adatto a progetti di piccole e medie dimensioni e copre l’intero flusso di lavoro di progettazione con un’interfaccia intuitiva;
KiCad, una soluzione open source, supporta più piattaforme con funzionalità robuste e una comunità attiva che offre assistenza tecnica gratuita;
Eagle si caratterizza per la facilità d’uso e l’apprendimento rapido, con un’interfaccia intuitiva e una vasta comunità di utenti che consente la condivisione delle risorse di progettazione.
Documentazione richiesta per la progettazione PCB
1.Schema circuitale
Lo schema elettrico costituisce la base della progettazione PCB, descrivendo in dettaglio tutti i componenti elettronici e le loro interconnessioni. I progettisti devono basare il layout e il routing dei PCB su questo schema.
2.Distinta dei materiali (BOM)
La BOM elenca tutti i componenti da montare sul PCB, compresi i codici dei componenti, le specifiche, i tipi di confezione e le quantità. Questo aiuta i progettisti nella scelta dei pacchetti di componenti appropriati e nella pianificazione del layout.
3.Specifiche e requisiti di progettazione
Questi comprendono le dimensioni del PCB, il numero di strati, il materiale, lo spessore, i requisiti di prestazione elettrica (ad esempio, il controllo dell’impedenza), i requisiti di processo speciali (ad esempio, vie cieche/sepolte, HDI) e altri vincoli di progettazione.
4.Materiali di progettazione di riferimento
Se disponibili, materiali di progettazione di riferimento simili, come file di progetti precedenti o disegni di progettazione di riferimento, dovrebbero essere forniti ai progettisti per consultazione.
5.Disegni della struttura meccanica
Includere disegni di massima, posizioni e dimensioni dei fori di montaggio, posizioni dei connettori e altre informazioni sulla struttura meccanica per garantire che il progettazione PCB sia in linea con i requisiti meccanici complessivi del prodotto.
6.Requisiti di collaudo e debug
Fornire requisiti specifici per il collaudo e il debug del prodotto, come le posizioni dei punti di collaudo e le interfacce di collaudo, consentendo ai progettisti di disporre in modo appropriato i punti di collaudo e le interfacce all’interno del layout del PCB.
Fasi di progettazione dei circuiti stampati
Il flusso di lavoro standard per la progettazione dei circuiti stampati comprende: preparazione preliminare → progettazione strutturale del circuito stampato → layout del circuito stampato → instradamento → ottimizzazione dell’instradamento e serigrafia → controlli di rete e DRC con verifica strutturale → produzione delle piastre.
(1) Progettazione schematica: la progettazione schematica consiste principalmente nella redazione di schemi circuitali utilizzando l’editor schematico all’interno del software di progettazione di circuiti stampati.
(2) Generazione della netlist: la netlist è un report che mostra le relazioni di connessione tra i componenti all’interno dello schema circuitale. Funge da ponte tra la progettazione schematica e il layout del PCB. Esaminando la netlist dello schema, è possibile identificare rapidamente le connessioni tra i componenti, facilitando così la successiva progettazione PCB.
(3) Progettazione di circuito stampato: la progettazione PCB implementa le funzionalità richieste sulla base dello schema elettrico. La progettazione del layout del PCB richiede la considerazione di numerosi fattori, tra cui la struttura meccanica, il layout delle connessioni esterne, il posizionamento dei componenti, le interconnessioni, la gestione termica e la compatibilità elettromagnetica. Il completamento di questa fase richiede spesso numerose iterazioni di revisioni dello schema.
(4) Fabbricazione della scheda di controllo PCBA: dopo l’approvvigionamento dei componenti e la ricezione del PCB, la scheda viene sottoposta al posizionamento SMT e alla saldatura di vari componenti, insieme ai processi di inserimento DIP, completando così l’assemblaggio della scheda di controllo.
Principi di posizionamento dei componenti
In primo luogo, posizionare i componenti con requisiti di integrazione strutturale, come prese di alimentazione, spie luminose, interruttori, connettori e interfacce. In secondo luogo, posizionare i componenti specializzati, come quelli grandi, pesanti, che generano calore e i circuiti integrati (IC); Infine, posizionare i componenti più piccoli. La disposizione dei componenti deve tenere conto del routing, dando la priorità ai progetti che facilitano il posizionamento delle tracce;
1.Gli oscillatori a cristallo devono essere posizionati vicino agli IC;
2.I condensatori di disaccoppiamento IC devono essere posizionati il più vicino possibile ai pin di alimentazione dell’IC, formando il circuito più breve possibile tra alimentazione e terra;
3.I componenti che generano calore dovrebbero essere generalmente distribuiti in modo uniforme per facilitare la dissipazione del calore sia dal PCB che dall’intera unità. I componenti sensibili alla temperatura, ad eccezione dei sensori di temperatura, dovrebbero essere tenuti lontani dai componenti che generano calore elevato.
Principi di instradamento
1.Le tracce dei segnali ad alta velocità dovrebbero essere mantenute il più corte possibile, con una lunghezza minima delle tracce dei segnali critici.
2.Evitare un numero eccessivo di vie su una singola traccia; limitarsi a non più di due vie.
3.Gli angoli di instradamento dovrebbero preferibilmente superare i 90 gradi; evitare angoli inferiori a 90 gradi e ridurre al minimo l’uso di angoli a 90 gradi;
4.Quando si instrada su schede a doppia faccia, le tracce su entrambi i lati dovrebbero essere disposte perpendicolarmente, diagonalmente o curve l’una rispetto all’altra, evitando l’instradamento parallelo per ridurre l’accoppiamento parassita;
5.Le linee di ingresso audio devono essere di uguale lunghezza, posizionate vicine tra loro con la linea audio circondata dal piano di massa;
6.Nessuna traccia deve passare sotto l’amplificatore IC; sotto l’amplificatore IC devono essere posizionati più via per il collegamento a GND;
7.Poiché nelle schede a doppia faccia non esiste uno strato dedicato al piano di massa, il collegamento di massa per il condensatore dell’oscillatore a cristallo deve utilizzare la traccia corta più ampia possibile fino al pin GND più vicino al cristallo sul componente, riducendo al minimo il numero di via;
8.Le linee di alimentazione e gli ingressi di ricarica USB devono utilizzare tracce più spesse (≥1 mm). Fornire una placcatura in rame su entrambi i lati in corrispondenza dei fori passanti, quindi aggiungere più fori passanti all’interno dell’area placcata in rame.
In generale, le tracce di alimentazione e di terra devono essere instradate per prime per garantire le prestazioni elettriche del PCB. Ove possibile, allargare le tracce di alimentazione e di massa, idealmente con tracce di massa che superino la larghezza delle tracce di alimentazione. La priorità delle tracce è: massa > alimentazione > segnale. La larghezza delle tracce di segnale varia tipicamente da 0,2 a 0,3 mm, con larghezze minime di 0,05-0,07 mm. Le tracce di alimentazione misurano generalmente 1,2-2,5 mm.
Sullo sfondo di un’evoluzione accelerata verso l’elettronica intelligente e altamente integrata, la progettazione PCB si è evoluta da un processo tecnico singolare a un hub fondamentale che collega l’innovazione alla produzione di massa. Geopcb, con la sua catena di servizi completa che spazia dall’analisi dei requisiti, progettazione schematica, layout e instradamento dei circuiti stampati, verifica della simulazione, analisi della producibilità DFM, produzione di prototipi e supporto alla produzione di massa, Geopcb offre soluzioni su misura per i settori dell’elettronica di consumo, dell’elettronica automobilistica, del controllo industriale e delle comunicazioni 5G.
