PCB ART: Tips & Tricks

Trucchi e suggerimenti per lo sbroglio dei circuiti stampati

In questa ultima parte del corso sullo sbroglio dei circuiti stampati vedremo alcuni esempi pratici supportati da immagini di applicazioni reali. Ben 14 differenti suggerimenti e trucchi per realizzare ed ottimizzare il vostro circuito stampato. Dalla gestione dei quarzi a quella dei vias, dallo spessore del rame agli stub, dalla dissipazione agli isolamenti ed a tante altre soluzioni, tutte in un contesto armonioso e gradevole alla vista, perché ormai è noto, un circuito bello da vedere è quasi sempre un circuito ben funzionante!

 

Tip #1 – Il PCB come un quadro

ll Circuito stampato deve essere assimilato, dovete entrarci dentro, trasmetterci il vostro talento, esprimere la vostra arte, come stesse disegnando un quadro. Non solo nozioni tecniche quindi ma anche la vostra esperienza ed il vostro carattere. Se siete precisi ed ordinati il PCB sarà preciso ed ordinato. Spesso una scheda malfunzionante è anche una scheda non artistica, con linee non armoniose.
La differenza tra un pastrocchio di piste e fori passanti ed un PCB con piano di massa, piste parallele alla giusta distanza ( evitando il crosstalk) e di eguale distanza (controllando l’impedenza) e pochi, necessari, fori passanti è sicuramente un circuito efficiente e stabile. Insomma il circuito deve anche essere BELLO DA VEDERE!

Si devono distinguere le varie zone. L’alimentazione, la potenza, i bus dati, il piano di massa (per un 2 strati).
NON esagero se vi dico che deve essere un’opera d’arte, come un quadro. Creato non solo dalla vostra creatività, ma dalle nozioni base e di esperienza che avete acquisito nel tempo. Il giusto compromesso, l’ottimizzazione, ma soprattuto la strategia, sono le cose che contano tanto quanto la parte tecnica di base.

Come in una partita a scacchi. Voi avete a disposizione il vostro know-how e dovete confrontarvi con:
*le specifiche meccaniche (dimensioni massime – forature – etc)
*le specifiche tecniche
*le norme di settore (IPC2222 – vibrazioni etc.)

Nella prima foto potete osservare come Il piano di massa sia separato in due parti unite da un unica pista. La zona di massa del microcontrollore e la zona di massa dei transistor di potenza. L’immagine rappresenta una sirena di allarme a microcontrollore con transistor di potenza a ponte, pilotati in pwm che comandano un carico induttivo (la sirena). I disturbi nella parte finale non sono da sottovalutare ed una soluzione del genere li tiene il più lontano possibile dal microcontrollore!

Nella seconda foto abbiamo una centralina apricancello con zona a 230Vac e zona a 5V con microcontrollore. La linea di isolamento è evidente, infatti è bene che le due aree siano separate e quindi isolate. Da notare anche un minimo di schermo di massa sul TOP relativamente al modulo ricevente radio del telecomando.

 

Tip #2 – PCB NON come un quadro

Dall’immagine sopra potete vedere, anzi, sarebbe meglio dire che potete non vedere… Infatti non sono identificabili le varie zone del circuito, non esiste piano di massa, le alimentazioni sono “non pervenute”, ci sono molte piste ad Y, troppi loop inutili ed uno sbroglio in generale disordinato e con angoli retti. Ovviamente questo non significa che il circuito non possa funzionare, soprattutto se non ci sono segnali ad alta velocità e l’applicazione non è critica ma sicuramente mettere in produzione, per volumi, una scheda del genere a mio avviso è una follia.

 

Tip #3 – Quarzi e oscillatori non sono nemici

Il particolare rappresentato nell’immagine è relativo ad un quarzo smd che è posizionato vicinissimo ai relativi pin del microcontrollore. Condensatori ed eventuali resistenze del circuito oscillante, andranno sempre posizionate adiacenti al quarzo. Inoltre le piste devono essere tenute più corte possibile, di adeguata larghezza, senza fori passanti ed eguale lunghezza. Prevedete, se possibile, anche un pin a massa per il collegamento del case. Se il quarzo è PTH e avete spazio, sdraiatelo con adeguata piazzola di massa, oppure preferite un quarzo PTH basso o SMD.

Come potete vedere, non tutti i suggerimenti riportati sono stati seguiti ma sarebbe bastato poco per avere un circuito maggiormente ottimizzato.

 

Tip #4 – I vias non sono gratis

Durante lo sbroglio dovrete continuamente prendere decisioni, una di queste è la scelta del giusto compromesso tra lunghezza pista e numero di formi passanti. Sarà sicuramente meglio inserire 2-3 fori passanti in una pista piuttosto che un giro immenso magari vicino a zone particolari. Per i segnali digitali standard potrà sicuramente andar bene questa regola. Per segnali hi-speed invece sarà opportuno evitare il più possibile fori passanti ed anche giri di piste troppo lunghi, quindi il compromesso, per il buon fine dello sbroglio, dovrà essere trovato sacrificando altre piste, scegliete ovviamente piste con segnali meno critici.

Inoltre ogni vias provoca una strozzatura per la corrente, se la pista è di potenza, quindi in caso di alte correnti i vias devono essere duplicati o anche triplicati.

Attenzione a non inserire Vias a contatto con le piazzole smt per evitare fuoriuscite di solder paste nei circuiti smd. E’ quindi buona norma coprire i vias con il solder mask.

I vias, data la loro natura, foro e piazzola di ridotte dimensioni, foratura ed impegno di entrambi i lati, sono spesso l’anello debole del circuito. Prestate molta attenzione al loro utilizzo, fatene un uso ponderato trovando il giusto compromesso costi-benefici.
Bisogna considerare anche che ogni vias introduce una foratura in più, quindi un costo di produzione maggiore.

 

Tip #5 – Vias limitations

I fori sulla scheda (Vias) possono essere passanti (Through hole) oppure ciechi (Blind) oppure interrati (Buried). I più utilizzati sono i fori passanti che collegano quindi tra loro 2 o più strati del circuito stampato.

Per il calcolo della corrente massima che può scorrere nei vias, utilizzate la stessa formula per la larghezza pista, considerando che la circonferenza del vias è data da d*π (diametro * 3,14).
Ma, anche qui non fidatevi troppo, perche molto spesso (purtroppo) i fori passanti, viste le loro ridotte dimensioni, non sono perfettamente centrati nel pad…..
Considerate sempre un ampio margine, raddoppiando i fori oppure mettere a specifica la stagnatura del foro in fase di assemblaggio componenti.
Se avete problemi di sbroglio potete diminuire i vias a 0.5/0.9 mm (diametro foro / diametro piazzola) ma anche a 0.4/0.7 verificate però quanto scritto sopra in base alle limitazioni imposte dal fabbricante di pcb.

 

Tip #6 – Dissipare i pad di potenza

E’ consigliato già dai 5A, ma molto dipende dalle condizioni ambientali nelle quali deve lavorare la vostra applicazione, inserire aree di dissipazione intorno ai pad dei connettori o in generale dei dispositivi di potenza. Non dimenticatevi che il rame è un ottimo dissipatore e quindi possono esere sfruttate intere zone libere per dissipare il calore.
Vicino alle morsettiere, sotto agli integrati ma anche sul lato opposto della scheda, infatti grazie all’uso dei fori passanti è possibile distribuire il calore anche all’altro lato del PCB aumentando quindi la dissipazione. Ci sono buone Application Note, facilmente reperibili in rete, dalle case costruttrici di integrati su come calcolare la dissipazione sui circuiti stampati: cercate su un motore di ricerca “pcb heatsink” ed avrete degli esempi molto spesso legati al componente smd da dissipare. Se non riuscite nella vostra ricerca o i documenti trovati non sono di vostra facile comprensione, non esitate a scriverci nel Forum con la vostra richiesta precisa, la prenderemo seriamente in considerazione per scrivere un articolo specifico.

 

Tip #7 – Scaricate i piani

Un piano di massa (o di alimentazione in genere) solido, pieno, è la soluzione migliore per svolgere completamente le sue funzioni, in particolare quelle di schermatura. Spesso però alcuni fabbricanti non riescono a contenere i rigonfiamenti di solder, in genere perchè non rispettano le tempistiche relative alle varie fasi di produzione pcb.

Una soluzione che mi è stata chiesta tempo fa da una azienda è stata quella di “scaricare” il piano di massa al fine di evitare questa problematica. Azienda che lavora con importanti brand ed utilizza fornitori certificati e professionali, quindi il loro fornitore di circuiti stampati sarebbe dovuto essere di qualità.
Comunque, dal mio fornitore abituale di pcb mi sono fatto spiegare meglio la cosa. Ebbene sembrerebbe che molto spesso, per motivi di tempo, il passaggio del solder mask viene accorciato per ridurre i costi e quindi il risultato non è per niente lineare. Come per evitare l'”imbarcamento” della scheda anche per il solder ci vogliono i tempi giusti.

Ragionandoci sopra, a livello tecnico, l’importanza del piano non cambia se lo “bucherelliamo”. Ho preso quindi l’abitudine di realizzare il piano a quadratini, anche se con una maglia fittissima. Se ci sono più piani sovrapposti, a livello visivo sul cad, il secondo lo realizzo a rombi (45 gradi), per avere una migliore visuale.
Ulteriore soluzione per non legarsi ad un fornitore di pcb.

 

Tip #8 – Giocare con i pad

Sfruttate la possibilità di avere dei diametri di PAD differenti per il TOP ed il BOTTOM. Riducendo la piazzola sul TOP è possibile, ad esempio, far passare delle piste tra i pin di un componente, la saldatura avverrà nel BOT.
Sempre nel rispetto degli isolamenti, aumentando il BOT è possibile dissipare meglio ed avere una buona saldatura, quindi anche resistenza meccanica.

Non utilizzate soltanto i Pads rotondi, ma anche Ovali, Quadrati e Oblong. Quest’ultimo consigliato per aumentare gli isolamenti pin-to-pin.

 

Tip #9 – Tenere le piste lontano da bordo

Tenere Piste, Pad e Piani lontano dal bordo. Come distanza di partenza considerate sempre almeno 1mm. Se dovete scendere sotto questo valore valutate i limiti di costruzione della scheda forniti dal fabbricante di pcb.
NON fidatevi troppo però, a causa delle tolleranze, degli errori meccanici ed ovviamente per non legarvi troppo ad un fornitore.

Considerate sempre che le schede a scoring, si dovranno spezzare a mano, quindi non ci possono essere valori dell’ordine del mm che tengano.
Analizzate anche gli isolamenti imposti dalla norma IPC2221. Se ad esempio la scheda è adagiata su un binario del contenitore e questo è in metallo e messo a terra, entrano in gioco anche isolamenti importanti. Quindi la distanza dal bordo va calcolata appositamente, per 250Vac (picco) è richiesto un isolamento di 1.25mm per piste non coperte dal solder (non fidatevi troppo nemmeno della tenuta solder) e per utilizzi fino a 3050 metri sul livello del mare.

 

Tip #10 – Lo spessore del rame aiuta

Aumentare lo spessore del rame può essere di aiuto per mantenere la stessa corrente in una pista pur diminuendo la larghezza. Sembra una ovvietà ma spesso non viene presa in considerazione. Verificate la capacità del fabbricante di PCB. Lo standard è 35 micron ma anche 17, 70 e 105 micron, come spessore, lo realizzano quasi tutti.

Bisognerà però fare attenzione ai componenti, in particolare ai loro pad ed ai rispettivi pitch. Se avete connettori ZIF o QFP di passo 0.5mm, il costruttore di pcb potrebbe non garantire gli isolamenti dovuti con uno spessore del rame superiore allo standard.
Ad esempio, per un rame spesso 90 micron non si riuscirà a garantire l’isolamento minimo a 0,254mm che è comunque un valore limite. Questo potrebbe essere un buon motivo per separare la parte di potenza da quella di controllo, utilizzando 2 schede, in genere unite a 180 gradi. La tipica schedina verticale di controllo nelle schede di potenza :)

 

Tip #11 – Il crosstalk

Il crosstalk è una interferenza elettromagnetica che si verifica tra due tracce con segnali Hi-Speed come ad esempio nei collegamenti USB. Nello specifico, per generare i segnali l’USB 2.0 a 12Mb/s abbiamo bisogno di un clock di 48Mhz, se consideriamo il pin spacing = 0.25mm (un package qfn) per il microcontrollore, siamo già a rischio.
Quindi sarà bene allontanare le piste tra loro appena uscite dal micro.

Per evitare il crosstalk o comunque attenuarne gli effetti, si devono tenere tenere le tracce il più possibile distanti tra loro. Misurando le interferenze in una linea di clock e una linea dati (TCK e TDI) del Jtag (50MHz) si evince facilmente come la distanza tra le piste sia risolutiva del problema: con 0,12mm CT=316.84 mV se invece la distanza viene portata a 63.5mm allora CT = 0,01mV

Anche se i dispositivi JTAG commerciali sono di frequenza più bassa (il famoso Jtag MKII Atmel arriva fino a 12MHz) una non corretta gestione dei segnali potrebbe portare a dei fallimenti sulla programmazione del microcontrollore o a problemi di debug.

I suggerimenti quindi sono:
– diminuire l’impedenza (piste larghe e il più corte possibile)
– mantenere il parallelismo per controllare l’impedenza (utilizzare tool di calcolo)
– valutare la possibilità di inserire un piano di massa interno a loop aperto (!)
– assolutamente NO fori passanti e NO angoli retti
– valutare passaggio piste su lati differenti (top-bot =1.6mm) ma attenzione all’accoppiamento capacitivo, quindi evitare il parallelismo (ma mantenere la stessa lunghezza)

Per la USB HiSpeed è consigliato tenere le piste a 20mils (0.508 mm) dalle altre low speed e 50mils dai segnali di clock (1.27mm) e tra di loro a 7.5mils (0.19mm) con larghezza di 7.5mils per una impedenza controllata di 90Ohm. Fonte Intel

 

Tip #12 – Evitate gli stub

Gli stub (piste perpendicolari che partono da una linea di segnali) possono creare dei fenomeni di riflessione e quindi, nei segnali hi-speed è sempre bene evitarli, ad esempio inserendo le piazzole delle eventuali resistenze di pullup direttamente sulla pista, mantenendola lineare. Un altro errore tipico sono i test point. Sicuro che non avete altri punti dove inserirli?

 

Tip #13 – Rispettate gli optoisolatori

Le piste non dovrebbero passare sotto gli opto isolatori, altrimenti che optoisolamento avremo? Non lo sappiamo, andrebbe ricalcolato. In genere gli optoisolatori sono certificati per 3750 V ma questi valori sono rispettati solo se rispettiamo il pin spacing del componente!
In caso di piste assolutamente necessarie, sarà bene rivalutare gli isolamenti dichiarati.
Ricordo sempre che il solder mask, che in teoria aumenta l’isolamento, non sempre è affidabile.

Certo, evitare di far passare le piste sotto gli optoisolatori potrebbe sembra una ovvietà, quasi banale ma:
quando progettavo nel settore antifurto in una fiera di settore vidi un combinatore telefonico di una importante azienda con addirittura 2 piste sotto l’optoisolatore. Siccome veniva sbandierata l’omologazione PP.TT. , che prevede la prova di isolamento, ho maturato delle perplessità sul documento di omologazione…
Tempo dopo dovetti fare io l’omologazione di un combinatore telefonico da me progettato, senza piste sotto gli optoisolatori di linea, ovviamente. Ebbene, la prova di scarica per verificare gli isolamenti non venne fatta perche l’apparato era rotto. Da quanto chiesi io, da un paio d’anni risposero. Anche io ottenni l’omologazione senza fare la prova. Oltre al “pezzo di carta” ed al suo opinabile valore, ci sarebbe da chiedere il costo che anche un semplice temporale, anche a distanza, possa generare, a causa della suscettibilità di combinatori telefonici, di fatto, non a norma.

 

Tip #14 – ESD test fai-da-te

Per individuare i punti deboli del PCB appena sbogliato e/o l’efficienza delle punte (spark-gap) si possono effettuare delle prove di scarica elettrostatica e quindi individuare facilmente sia la tensione di intervento delle “punte scaricatore” sia i punti deboli del circuito e quindi intervenire, sia con una revisione che con l’inserimento di soppressori Transil e/o Trisil.

Le prove elettrostatiche si effettuano con una pistola elettrostatica conforme a norma IEC/EN 61000-4-2 con tensione regolabile fino a 16KV. Il costo può arrivare anche a diverse migliaia di euro ma…. se avete in casa un accendigas, forse vale la pena sacrificarlo 😉

Alcuni test sono stati effettuati prima con l’utilizzo dell’accendigas modificato e poi con la pistola elettrostatica a norma e l’accendigas è stato promosso a DIY ESD GUN con risultati ampiamente soddisfacenti.
Paragonabili alla Esd Gun a norma.

Per riferimento di può considerare la distanza di 1mm ~ 4KV con relativi aggiustamenti in base alle specifiche tecniche della scheda utilizzata e al solder mask. Potete fare tutti i calcoli, anche precisi se volete, considerando anche l’umidità dell’aria, per ottenere il valore esatto di KV ma un test empirico sarà più che sufficiente in quanto non dimentichiamoci che il disturbo è… sconosciuto ed imprevedibile (Fulmini-ESD-etc).

 

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10 Comments

  1. Giorgio B. Giorgio B. 28 maggio 2013
  2. Antonello Antonello 28 maggio 2013
  3. Emanuele Emanuele 28 maggio 2013
  4. Emanuele Emanuele 28 maggio 2013
  5. Boris L. 29 maggio 2013
  6. Antonello Antonello 31 maggio 2013
  7. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 31 maggio 2013
  8. ciccio-1976 1 giugno 2013
  9. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 2 giugno 2013
  10. Alberto89 18 febbraio 2015

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