Sulla progettazione dei PCB

La progettazione di PCB è parte integrante di qualsiasi progetto di sviluppo di prodotti elettronici. La progettazione di PCB utilizza uno strumento software CAD per creare un rendering 3D di un PCB da uno schema 2D che viene poi utilizzato per fabbricare la scheda. Un progetto PCB ottimizzato assicura che la scheda del circuito funzioni come desiderato e all'interno delle specifiche previste. I progettisti di PCB devono seguire un processo specifico che segue le fasi di definizione meccanica, posizionamento critico, posizionamento, routing critico, routing, controlli finali delle regole di progettazione e creazione di outjob.

• Strumenti software per la progettazione di PCB

Sono disponibili molti pacchetti software di progettazione assistita da computer (CAD), alcuni gratuiti e altri a pagamento.

Altium Designer, PADs, Allegro e OrCAD sono gli strumenti software di progettazione di PCB più comunemente utilizzati. Per progetti più semplici e studenti di ingegneria e hobbisti, strumenti CAD gratuiti come Kicad e ExpressPCB. Questi strumenti sono limitati nella gestione di progetti più complessi e hanno funzionalità limitate rispetto ad altri.

Le caratteristiche e le capacità del software di progettazione di PCB possono variare notevolmente da strumento a strumento. Un ingegnere o un progettista può spesso scegliere uno strumento particolare perché ha le funzionalità necessarie che altri strumenti non hanno. Gli strumenti di progettazione di PCB più basilari forniscono funzioni e caratteristiche molto più basilari. Il software per cui le aziende devono pagare offre più funzionalità e capacità, come il routing complesso con regole di progettazione specificate e la simulazione del segnale di routing.

Poiché i PCB diventano sempre più complessi e spesso su un ingombro molto più piccolo, i pacchetti software a pagamento sono spesso preferiti, se non richiesti.

• Acquisizione dello schema

Uno dei primi passi nello sviluppo di prodotti elettronici è la creazione di una specifica di progettazione. Questo documento descrive i requisiti della scheda e identifica i componenti critici, le velocità dei segnali, le coppie differenziali, ecc.

Una volta completata la specifica, può iniziare l'acquisizione dello schema. Gli schemi PCB venivano disegnati a mano e talvolta lo sono ancora, ma la maggior parte degli schemi viene disegnata o "catturata" utilizzando il software CAD.

Uno schema PCB è un disegno bidimensionale che mostra quali componenti si collegano ad altri componenti e fornisce istruzioni su come disporre le tracce sulla scheda. Utilizzando il software CAD, i simboli dello schema vengono creati dall'ingegnere per ogni componente, che viene poi collegato a un'impronta PCB o modello di terreno. Le impronte vengono create dal progettista PCB e definiscono le dimensioni fisiche di ogni componente, le posizioni dei pin e se è SMT o thru-hole.

• Posizionamento dei componenti

La progettazione di PCB consiste nel prendere gli schemi bidimensionali e creare un rendering tridimensionale. Una volta completato lo schema e impostate le specifiche meccaniche come dimensioni e forma della scheda, vincoli e informazioni sui fori, il posizionamento dei componenti è il primo passo nel processo di progettazione del PCB. Le impronte PCB devono avere tutte le informazioni richieste inserite prima di poter essere posizionate nel progetto; devono avere tutte le informazioni pertinenti definite

Prima di approfondire troppo il posizionamento dei componenti, è essenziale posizionare approssimativamente i componenti, spesso in gruppi correlati, per avere un'idea di dove saranno posizionati e se si adatteranno tutti sulla scheda. È essenziale considerare come i diversi componenti comunicheranno e la velocità con cui i segnali devono essere mantenuti. Un esercizio di posizionamento approssimativo può anche aiutare a determinare quanti strati saranno necessari per ottenere uno stackup. Quindi viene il routing critico, ovvero tracce con vincoli molto stretti che il progettista PCB non sposterà in seguito. Una volta bloccate le rotte critiche, viene eseguito un posizionamento più generale. Il posizionamento finale deve essere accuratamente rivisto perché le modifiche al posizionamento dopo l'inizio del routing possono comportare la necessità di strappare e rifare il lavoro.

• Routing

Il routing consiste nel collegare i componenti con tracce come indicato dallo schema. Per progetti complessi con molti vincoli e requisiti, alcuni strumenti software consentono al progettista di inserire un insieme di regole di progettazione. Se una regola viene violata, verrà contrassegnata durante un controllo delle regole di progettazione. Quindi, dal circuito schematico viene generata una netlist, un file basato su testo. La netlist contiene informazioni come designatori di riferimento e numeri di pin. Mostra anche quali componenti devono connettersi ad altri componenti.

Il primo passo del routing è posare le rotte critiche. Si tratta di rotte in cui i segnali devono viaggiare a una velocità particolare, effettuare la connessione entro un vincolo di tempo richiesto o coppie differenziali. Questi verranno bloccati al completamento. Le rotte critiche vengono completate per prime, dove le dimensioni e la lunghezza della traccia sono cruciali. Il resto delle rotte viene quindi posato, di solito in ordine di difficoltà o complessità. Queste tracce spesso si muovono su e giù attraverso gli strati attraverso diversi tipi di vias. Il progettista PCB deve eseguire una revisione finale dettagliata e tutte le violazioni DRC vengono corrette o cancellate.

• Output di produzione

Una volta completato e approvato il processo di progettazione del PCB, vengono generati i dati per la produzione. I file Gerber sono immagini utilizzate per mostrare i diversi strati e verranno utilizzati con un plotter fotografico per la fabbricazione. Altri file necessari per la fabbricazione sono la serigrafia, la maschera di saldatura e la foratura e il routing NC.

Per l'assemblaggio, viene utilizzato un intero altro set di file per programmare le varie macchine coinvolte nel processo. Questi includono una distinta base (BOM), in modo che i componenti possano essere reperiti e acquistati, un file pick-and-place utilizzato per programmare la macchina pick-and-place e la netlist per test funzionali e ispezione.