PCB ART: linee guida di base per sbroglio e posizionamento

Linee guida per lo sbroglio dei circuiti stampati

Per un corretto posizionamento e sbroglio circuitale, ovvero progettare PCB, passando dallo schema elettrico al circuito stampato, è necessario seguire delle lineeguida fondamentali. In questo articolo tratteremo quindi i punti chiave e le nozioni basilari per poter realizzare un circuito stampato a livelli professionalmente accettabili.Tratteremo sia il posizionamento che la stesura delle piste, i criteri e le norme che regolano tali attività ed il corretto flusso di lavoro.

Schema elettrico: chi ben comincia…

Lo schema elettrico dovrebbe essere il più completo possibile. Tutte le informazioni di sbroglio possono essere inserite direttamente nello schematico, sia sotto forma grafica, sia tramite la libreria del componente e, dove non fosse possibile, tramite l’inserimento di un semplice testo.

E’ fondamentale inserire le LABEL su più collegamenti possibili, per semplificare la lettura dello schema, ma anche per poi individuare facilmente, sul Layout, la relativa NET. Sarebbe bene etichettare anche i collegamenti che non hanno la LABEL visibile, per massimizzare l’ottimizzazione di cui sopra nel CAD di sbroglio.
Oltre ad individuarle facilmente nel circuito sarà possibile assegnare ai loro RATNEST un colore diverso per una maggiore visione di sbroglio.

Sopra potete vedere un altro esempio di schema elettrico ottimizzato al fine di fornire informazioni al CAD di sbroglio. Infatti il nodo di massa rappresentato significa chiaramente che i collegamenti indicati devono essere più corti possibile e connessi direttamente, senza deviazioni o STUB. (Gli stub sono le verminazioni a T, ne parleremo in articoli successivi)

Dimensioni meccaniche e ancoraggi

Tra le cose più antipatiche (ed onerose) che possono capitare ad un progettista di circuiti elettronici (detto anche Masterista) è quella di dover inserire un foro o una zona di rispetto, dopo che ha finito di sbrogliare e quindi fare letteralmente i salti mortali per recuperare una zona libera o buttare giù mezzo circuito e rifare le piste. Ecco quindi alcuni suggerimenti da tenere sempre a mente PRIMA di iniziare il lavoro:

  • Definire sempre il layout meccanico
  • Avere dimensioni esterne precise e le loro tolleranze
  • Definire i fori di ancoraggio (e la relativa zona di rispetto)
  • Individuare le altezze massime dei componenti

E’ quindi molto importante una definizione iniziale del layout meccanico, con dimensioni ed ingombri. Anche i fori di ancoraggio devono essere preventivamente stabiliti ed inseriti nella scheda. Questi ultimi avranno sicuramente bisogno di una zona di rispetto (es. testa della vite) informatevi sempre se non è dichiarato nelle specifiche tecniche. Le tolleranze possono avere un peso importante, relativamente alla griglia di lavoro per il posizionamento dei componenti. Non sottovalutate nemmeno le altezze massime concesse per i componenti, a volte una resisteza montata in posizione verticale può risolvere una situazione critica nello sbroglio, ma dovete avere l’altezza disponibile in quella zona!

Campo di applicazione

Un aspetto spesso trascurato dal progettista è la conoscenza del campo di applicazione del progetto che si andrà a realizzare. Trovo invece sia un ulteriore elemento fondamentale per una corretta visione globale del prodotto e quindi per una migliore ottimizzazione del circuito. Nel paragrafo precedente abbiamo visto come la conoscenza delle altezze disponibili, può aiutarci a risolvere problematiche di sbroglio come ad esempio l’inserimento in verticale delle resistenze di potenza. Ma possiamo sempre farlo, anche con lo spazio disponibile? Se il prodotto dovrà fare le prove di vibrazione, probabilmente non ci sarà possibile utilizzare questa soluzione a meno di non avere a specifica il fissaggio con speciali resine o colle. Cercate quindi di avere sempre una visione d’insieme del progetto, per non dovervi trovare poi a modificare quanto già sbrogliato.

Interazione tra SCH-PCB-DRW

E’ fondamentale per il Masterista interagire sia con il progettista elettronico che ha sviluppato lo schema elettrico SCH che con il progettista meccanico che ha realizzato il disegno meccanico DWG. A volte un semplice pin-swap o lo spostamento di un foro di ancoraggio risolvono situazioni critiche di sbroglio. Allo stesso tempo, per motivi più gravi (impossibilità a sbrogliare) considerate la possibilità di cambiare package (contenitore) al componente oppure modificare il disegno meccanico e/o le quote di ingombro.
Valutare sempre il costo-beneficio dell’operazione e trovare il giusto compromesso.

Aggiornate sempre lo SCH alla fine di ogni task di lavoro! Le modifiche non riportate su tutta la documentazione sono la causa più grande di perdita di tempo nelle fasi di produzione.

Ricapitoliamo quindi i punti di questa slide:

  • Interagire sempre con il disegnatore elettrico (progettista elettronico)
  • Usate il PIN-SWAP
  • Ricordatevi sempre di fare backannotate automatico o manuale
  • Interagire sempre anche con il disegnatore meccanico (progettista meccanico)
  • Dimensioni e Foratura spesso sono un “incubo” che può essere risolto appunto con la comunicazione

Il passaggio da schema a circuito

Una domanda che spesso mi viene rivolta, sia online che nelle conferenze è: come vengono passate le informazioni dallo schema al circuito?

Il collegamento tra lo schematico e il circuito è la NETLIST. Infatti nello schema elettrico, precisamente nelle specifiche del componente, si deve inserire il FOOTPRINT, che altro non è che il collegamento alla libreria del programma di sbroglio LAYOUT PCB. Questo può essere fatto anche a livello di libreria. Ad esempio se inserite nello schema elettrico un componente denominato Resistor_0805 questo si porterà in automatico il footprint 0805. Una volta impostati tutti i footprints potrete generare la NETLIST. Il processo è assisitito, quindi potete interagire “al volo” se sorgono problemi, tipo cambio componente oppure numerazione pin errata.

Piccola nota: le netlist una volta erano anche editabili con qualsiasi editor di testo e quindi si poteva facilmente aggiungere o eliminare qualche collegamento/componente, ora purtroppo molti cad utilizzano dei formati proprietari e quindi illegibili dai normali editor di testo.

Fatto questo potete passare al LAYOUT e creare una nuova board partendo appunto dalla NETLIST appena generata. La nuova scheda avrà tutti i componenti corrispondenti al footprint inserito nel CAPTURE e presente nelle librerie di LAYOUT. I componenti saranno allineati verticalmente, pronti per essere posizionati all’interno della scheda.


SCH footprint -> NETLIST -> PCB footprint

Nell’immagine la sequenza che utilizza Orcad di Cadence ma abbastanza comune per tutti i cad di sbroglio

Lavorare su griglia

L’utilizzo della griglia è indispensabile per avere un posizionamento facilitato (ed allineato) ed un routing lineare e preciso. Infatti con le opportune impostazioni è possibile posizionare tutti i componenti a distanze precise e far passare le piste esattamente in mezzo ai pad.
In caso di specifiche molto restrittive con alti livelli di precisione meccanica, è possibile diminuire la griglia, ma l’importante è rimanere sempre su di essa. Soluzioni gridless, se pur possibili in molti cad, non sono molto user-friendly.

Ci sono vari tipi di griglia, impostatele in ordine :

  • Griglia visiva
  • Giglia per il piazzamento componenti
  • Griglia per le piste

L’impostazione dovrebbe essere in sequenza anche per i valori. Se ad esempio impostate la visiva a 1,27 sarà bene impostare il piazzamento componenti a 0,508 (oppure 0,254) e la griglia di routing a 0,254 (oppure 0,127).

La scelta mils o mm è soggettiva – E’ importante però che abbiate sempre a mente la conversione: 1 mils = 0.0254 mm

Isolamenti

L’impostazione degli isolamenti è stabilita dalle specifiche tecniche che DEVONO comprendere sia le tensioni applicate alle piste che la corrente prevista. Andrà inoltre considerato il campo di applicazione con le relative norme di settore. I parametri principali sono: la distanza tra le piste, la larghezza delle piste ed il dimensionamento di pads (piazzole) e vias (fori passanti). I costruttori di PCB forniscono sempre delle tabelle con i limiti minimi delle loro attrezzature, ma non spingetevi mai al limite, sia per non legarvi troppo ad un costruttore, sia perchè esistono delle tolleranze e degli errori nella costruzione meccanica del circuito stampato.
Se ad esempio i vias non sono centrati perfettamente nel loro pad, potreste essere costretti a stagnarli nei punti critici, nella migliore delle ipotesi….

I parametri chiave per il dimensionamento di piazzole e piste sono:

  • Tensioni in gioco /isolamenti
  • Correnti in gioco /larghezza piste
  • Campo di applicazione & Tolleranze

Posizionamento

Usare il posizionamento automatico (se il vostro cad ve lo permette) solo per avere un una istantanea degli ingombri.
Poi spostare TUTTO ed iniziare il posizionamento MANUALE. Iniziare dai componenti fissi, imposti dalle specifiche, come fori di ancoraggio, connettori (in genere vicino al bordo), dissipatori etc. Proseguire, sempre manualmente a posizionare i componenti sensibili, come il microcontrollore (in genere al centro della scheda), il quarzo (vicino al microcontrollore), gli amplificatori e convertitori, i filtri e le resistenze di ingresso, vicino ai relativi ingressi.

Successivamente posizionare per blocchi, completando il posizionamento dei vari componenti.

Dedicare molto tempo all’ottimizzazione, è fondamentale che, con l’aiuto dei ratnest (elastici che simulano i collegamenti) abbiate una visione globale delle piste che andrete a sbrogliare. Un posizionamento ottimizzato produrrà uno sbroglio semplificato. Considerando che più volte dovrete rimettere mano al posizionamento, anche durante lo sbroglio, partire con il piede giusto è la cosa migliore da fare.

FOTO1: Il connettore J2 è vicino al bordo. Il ponte a diodi DB1, dove entra l’alternata è vicinissimo ai pin di ingresso. Stessa cosa per le resistenze di filtro. In questo caso la regola non è particolarmente stringente perchè sono segnali digitali on/off e quindi mi sono potuto permettere la libertà di posizionare anche leggermente più lontano una resistenza di ingresso, R6, ma comunque sempre vicino al pin di ingresso e con la pista che non si avvicina a parti sensibili.
Evitate sempre di far girare piste nella scheda dirette da un I/O.

FOTO2: Il quarzo ed i relativi condensatori devono essere posizionati il più vicino possibile tra loro ed al micro. Notare un circuito con doppio passo per il microcontrollore (zoccolo di emulazione real-time) e doppio passo per il quarzo, PTH (tradizionale) e SMD (montaggio superficiale)

FOTO3:I condensatori di filtro devono essere posizionati vicino al regolatore U3 e poi vicino ad ogni Vcc dei vari integrati. Prendere anche in considerazione di sdoppiare i condensatori se al classico 100nF aggiungete in parallelo anche un 4n7 il filtro acquista velocità contrastando anche i disturbi veloci. Inoltre più condensatori in parallelo riducono la resistenza serie (loro interna) e quindi sono più efficienti.

Ricapitolando: nella fase di posizionamento dare precedenza ai componenti fissi (connettori-dissipatori-etc) come indicato in specifica e poi ai componenti sensibili (switching-quarzi-filtri-etc) come da buon senso e regole di corretta progettazione. Utilizzare il posizionamento manuale.

Routing – sbroglio delle piste

Utilizzate il routing automatico per ottimizzare il posizionamento. Analizzare la densità di piste ed ottimizzare il posizionamento.

Una volta fatto, cancellare tutte le piste!

Posizionare manualmente procedendo a blocchi con precedenza alle piste particolari:
Vcc GND Reset OSC Vref Tx Rx AnaIN etc.

Colorate i ratnest per avere una visione immediata delle piste importanti. Iniziare dalle alimentazioni (valutare la priorità in relazione al piano di massa – Vcc)
Poi i segnali sensibili (AnalogIN – Crystal – Reset – TxRx – Bus dati – etc)
Successivamente i segnali generali e le piste corte.

Ma non è una regola fissa, dipende dal vostro estro!

Se per voi è importante la visione d’insieme (per me lo è) allora sarà meglio sbrogliare PRIMA le piste corte poi le lunghe considerando il fatto che poi le corte potrete modificarle cambiandone lato all’occorrenza. Questo vi porterà a sbrogliare le zone difficili avendo già buona parte delle piste disegnate e quindi un’ottima visione d’insieme, un colpo d’occhio che il ratnest da solo non può dare.

Se avete un circuito a due lati classico, con molto smd e del pth, con piano di massa sul BOT e, ad occhio, avete abbastanza spazio da dedicargli, potete anche oscurare il ratnest di massa e lavorare con un migliore colpo d’occhio. Poi la massa la gestirete alla fine con il relativo copper pour, ottimizzando eventualmente alcune zone.

Routing automatico Vs manuale

Nel corso degli anni ho provato vari CAD che promettevano lo sbroglio automatico, ma nessuno si è dimostrato in grado di produrre uno sbroglio, nemmeno lontanamente, paragonabile ad uno sbroglio manuale. Ho anche chiesto a molti miei amici e colleghi progettisti elettronici, alcuni anche in grandi aziende con importanti budget spesi per l’acquisto di CAD “importanti” ma la risposta è sempre stata unanime: “Dopo molti tentativi abbiamo abbandonato la possibilità di uno sbroglio automatico. Non pensiamo valga la pena nemmeno provarci, sbrogliamo solo manualmente.”

Potrei dilungarmi molto sulle limitazioni dello sbroglio automatico, ma l’impatto visivo è sicuramente il più eloquente. Chiunque abbia mai provato a sbrogliare in automatico sa bene di cosa parlo. Vorrei fare però un esempio pratico che farà capire bene le limitazioni che ancora ci sono in questo tipo di “intelligenza artificiale”.
L’automatico si spingerà sempre al limite degli isolamenti, anche quando non c’è necessità. Questo aumenterà i rischi di corto circuito. Certo gli isolamenti si possono aumentare, ma poi probabilmente la scheda non si sbroglia…
Nella seguente immagine potete vederne un esempio, in un circuito abbastanza banale, figuriamoci in una scheda complessa cosa potrebbe combinare l’autorouting. Del resto se il PCB è assimilabile ad un quadro, questo realizzato in automatico non sarebbe più un’opera d’arte.

DRC (design rules check)

Una volta terminato lo sbroglio la verifica DRC è d’obbligo. Infatti è il metodo principale per individuare eventuali sviste o errori che possono accadere durante lo svolgimento dello sbroglio. Impostate accuratamente i parametri da controllare, in particolare le violazioni alla netlist e gli isolamenti. Riguardo gli isolamenti, potretete anche lanciare una verifica DRC scendendo al di sotto dei valori imposti dalla specifica, proprio per individuare le parti sensibili del circuito e quindi intervenire subito. Prevenire è meglio che curare ;)

Nomative di riferimento

La norma di riferimento per lo sbroglio dei circuiti stampati è la IPC2221 (ex MIL-STD-275). All’interno ci sono regole per una corretta realizzazione del circuito stampato. Vediamo ora il grafico più rappresentativo, ed anche più utile, che permette il dimensionamento delle piste in base ad alcuni parametri:

  • Corrente massima (A)
  • Aumento di T (°C)
  • Spessore rame (Oz)
  • Sezione pista (Mils2)
  • larghezza pista (Inch)

Utilizzate il grafico in questo modo: partite da in alto a sinistra con la CORRENTE richiesta e terminate in basso a sinistra con la larghezza necessaria. Ovviamente per conoscere la corrente massima che può scorrere in una pista, data la larghezza della pista, procedete a ritroso.

Lo spessore del rame viene espresso in Oz che rappresenta l’oncia, quindi un valore relativo alla pesantezza. Si tratta del peso del foglio di rame che viene utilizzato, tramite il quale si calcola lo spessore 1 Oncia (Oz) = 35micron questo è il valore standard. Si utilizza anche 1/2Oz ma soprattutto 70micron e 90micron ed in casi particolari anche 105micron con le relative ristrizioni che uno spessore di tale dimensione può creare (saldatura e distanza tra i pin tale che esclude microcontrollori QFP, ad esempio).

Dopo oltre 30 anni, ci si è accorti che questo grafico necessita di fattori di correzione, contenuti nella norma IPC-2152. Questo a dimostrazione, ancora una volta, che regole e norme, non vanno prese per “oro colato” ma devono intendersi, a mio avviso, come lineeguida generali, adattabili ad ogni applicazione, ma conseguentemente verificate sul campo.

La conformità a molte norme, necessarie alla stesura del fascicolo tecnico per la marcatura CE, passa per il PCB.

IEC EN 61000 Compatibilità elettromagnetica

IPC-SM-782A Dimensionamento componenti

PC-A-610 Assemblaggi elettronici

Visione globale del progetto

Avere una visione globale del progetto è molto importante, sia per alcune accortezze da tenere a mente relativamente al campo di applicazione (come visto precedentemente) sia per facilitare tutto il processo produttivo. Non solo per la realizzazione fisica del circuito stampato ma anche per la parte di montaggio. Aiutiamo l’assemblatore! (o quantomeno facilitiamogli il compito, contribuiremo sicuramente a ridurre ritardi e scarti di produzione e post-produzione)

FOTO1: Le piste di collegamento tra due pin adiacenti NON devono essere dirette, ma uscire dal pad in verticale e poi unirsi lontano dai pin. Questo per permettere un collaudo visivo senza ingannare l’assemblatore (potrebbero essere scambiati per corto circuiti).

FOTO2: Se riusciamo ad aumentare i pad dei componenti (al massimo permesso dalla IPC-SM-782A, se richiesta) possiamo facilitare il lavoro all’assemblatore, che in caso di fault della macchina, potrà comunque certificare il montaggio a norma IPC-A-610 almeno in class1.

Conclusione

Una volta appresi i suggerimenti proposti in questo articolo avrete le nozioni base per poter sbrogliare correttamente, passando dallo schema elettrico al circuito stampato con tutte le accortezze necessarie per una realizzazione accettabile. Nei prossimi articoli di PCB-ART approfondiremo alcuni aspetti entrando nello specifico, ad un livello più teorico, su piani di massa ed isolamenti.

Sono a disposizione nei commenti per rispondere alle vostre domande e quindi sciogliere ogni eventuale dubbio nato dalla lettura dell’articolo.

 

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8 Comments

  1. Gianpiero 17 febbraio 2013
  2. Gianpiero 17 febbraio 2013
  3. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 24 gennaio 2013
  4. delfino_curioso delfino_curioso 24 gennaio 2013
  5. delfino_curioso delfino_curioso 24 gennaio 2013
  6. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 24 gennaio 2013
  7. Emanuele Emanuele 18 febbraio 2013
  8. Gianpiero 8 marzo 2013

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