Progettare un circuito stampato dalla A alla Z con Altium Designer

La progettazione e il layout dei circuiti stampati (PCB) sono al contempo un'arte e una scienza, e può essere difficile sapere da dove iniziare quando si progetta una scheda da zero. Se sei alle prime armi con l'elettronica e la progettazione di schede elettroniche, e stai ancora imparando a progettare un circuito stampato personalizzato in Altium Designer, disponibile all'interno di Altium Develop, abbiamo raccolto i 10 passaggi fondamentali che puoi seguire per creare layout PCB moderni. In questo tutorial vedremo tutti i passaggi necessari per creare i tuoi circuiti e schematici, per poi passare alla creazione di un progetto di circuito stampato realmente producibile.

Un progetto di circuito stampato ben ingegnerizzato comprende moltissimi aspetti, da un semplice circuito stampato a un complesso PCB flessibile. Qualsiasi nuovo dispositivo elettronico nasce come diagramma a blocchi e/o set di schematici elettronici. Una volta che i tuoi schematici sono completi e validati, puoi seguire i passaggi qui sotto per creare layout PCB moderni in Altium Designer. Ecco l'elenco completo dei passaggi di progettazione PCB:

• Progettazione di circuiti stampati in 10 passaggi
• Passaggio 1: Acquisizione dello schematico
• Passaggio 2: Creazione di un layout PCB vuoto
• Passaggio 3: Sincronizzazione degli schematici con il progetto del PCB
• Passaggio 4: Progettazione dello stackup del PCB
• Passaggio 5: Definizione delle regole di progettazione e dei requisiti DFM
• Passaggio 6: Posizionamento dei componenti
• Passaggio 7: Inserimento dei fori
• Passaggio 8: Instradamento delle tracce
• Passaggio 9: Aggiunta di etichette e identificatori
• Passaggio 10: Generazione dei file di progettazione

Progettazione di circuiti stampati in 10 passaggi

Quando si progetta una scheda elettronica, arrivare al progetto finale può talvolta sembrare un viaggio lungo e arduo. Che si tratti delle basi della microgestione di rame e saldatura, di assicurarsi che il circuito stampato venga effettivamente realizzato, oppure di affrontare problemi di progettazione più specifici come la tecnologia through-hole o il layout con via, pad e qualsiasi altra problematica di integrità del segnale, avrai bisogno del software di progettazione giusto.

Se lo fai da decenni, non c'è bisogno che ti dica quanto sia prezioso conoscere a fondo il tuo software di progettazione per realizzare schede stampate fatte bene. Disporre le tracce per l'instradamento e il posizionamento del rame, o gestire gli strati necessari per la saldatura, può diventare complicato senza un'integrazione accurata e affidabile tra acquisizione degli schematici e layout.

Pur essendo un programma ricco di funzionalità, l'esperienza utente di Altium Designer è estremamente gratificante sia per i progettisti alle prime armi che per quelli esperti. Offre un ambiente di progettazione costruito da zero per un processo di progettazione di circuiti stampati personalizzati fluido, all'interno di un unico ambiente di layout PCB unificato. Vediamo ora i passaggi generali della progettazione PCB.

Passaggio 1: Acquisizione dello schematico

Che tu stia partendo da un modello o creando il tuo circuito stampato da zero, è probabilmente meglio iniziare dallo schematico. Il tuo schematico è simile ai piani costruttivi del tuo nuovo dispositivo, ed è importante capire cosa viene mostrato al suo interno. Innanzitutto, gli schematici mostrano quanto segue:

• Quali componenti sono utilizzati nel tuo progetto di circuito stampato
• Come sono collegati tra loro i componenti
• Le relazioni tra gruppi di componenti in schematici diversi

L'ultimo punto è particolarmente importante, poiché i progetti complessi possono utilizzare schematici gerarchici. Puoi imporre un'organizzazione significativa alla tua nuova scheda adottando un approccio gerarchico al progetto e posizionando blocchi di circuito diversi in schematici distinti.

• Scopri di più sull'acquisizione degli schematici e su come creare schematici leggibili

L'editor di schematici in Altium Designer

Non solo è più semplice definire e modificare l'interconnessione del circuito, ma convertire uno schematico in un layout della scheda è molto più facile che progettare direttamente sulla scheda. Per i componenti, Altium Designer dispone di un ampio database di librerie di parti. Inoltre, puoi utilizzare la piattaforma Altium 365, che offre accesso a migliaia di librerie di componenti e aggiunge flessibilità alla gestione del progetto e allo sviluppo del prodotto. Puoi comunque anche progettare simboli schematici personalizzati e creare footprint. Oppure, se preferisci sfruttare footprint di componenti già esistenti, prova il Manufacturer Part Search Panel.

È inoltre importante annotare gli schematici e assegnare un nome alle reti quando gli schematici diventano grandi e complessi. Man mano che nello schematico vengono aggiunti componenti con un numero elevato di pin, puoi usare l'assegnazione dei nomi delle reti per mantenere tutto organizzato e tracciare facilmente la connettività tra i componenti. L'uso dei nomi delle reti è utile anche una volta nel layout PCB, perché ti permette di identificare rapidamente le reti durante il posizionamento e l'instradamento. Questo sarà utile anche quando testerai il tuo prototipo finito, perché potrai individuare rapidamente le reti nel layout PCB corrispondente in Altium Designer.

I nomi delle reti possono essere assegnati negli schematici per aiutarti a rimanere organizzato. Sfrutta le funzionalità di configurazione della vista per trovare rapidamente ciò che ti serve.

Se forma, dimensioni e stackup degli strati della scheda sono già stati determinati, puoi impostarli ora. Se preferisci non farlo in questo momento, nessun problema: forma, dimensioni e stackup della scheda (vedi il Passaggio 4 più avanti) potranno essere modificati in seguito. Le informazioni dello schematico vengono rese disponibili al PcbDoc tramite la compilazione dello SchDoc. Il processo di compilazione include la verifica del progetto e la generazione di diversi documenti di progetto che ti permettono di controllare e correggere il progetto prima di trasferirlo al PcbDoc, come quelli mostrati di seguito. A questo punto è vivamente consigliato rivedere e aggiornare le Opzioni di progetto, che vengono usate per creare le informazioni del PcbDoc.

Opzioni di progetto per la conversione in PCB

Passaggio 3: Sincronizzazione degli schematici con il progetto del PCB

Tutti gli strumenti di Altium Designer lavorano in un ambiente di progettazione unificato, in cui schematico, layout del circuito stampato e BOM sono interconnessi e accessibili simultaneamente. Altri programmi ti costringono a compilare manualmente i dati dello schematico, ma Altium Designer lo fa automaticamente per te mentre crei il tuo progetto. Per trasferire le informazioni dello SchDoc al PcbDoc appena creato, fai clic su Design » Update PCB {nome del tuo nuovo file PCB}.PcbDoc. Si aprirà una finestra di dialogo Engineering Change Order (ECO) che elenca tutti i componenti e le reti dello schematico, simile a quella mostrata di seguito.

Esempio di Engineering Change Order

Verifica le modifiche (l'aggiunta delle informazioni dello SchDoc al progetto senza errori) facendo clic sulla scheda Validate Changes. Se lo stato di tutti gli elementi è verde, fai clic sulla scheda Execute Changes. Per completare il processo, chiudi la finestra di dialogo. Altium Designer può farti risparmiare una quantità considerevole di tempo in questo passaggio della progettazione PCB.

Passaggio 4: Progettazione dello stackup del PCB

Quando trasferisci le informazioni dello schematico al PcbDoc, vengono mostrati i footprint dei componenti oltre al contorno della scheda specificato. Prima di posizionare i componenti dovresti definire il layout del PCB (forma, stackup degli strati) usando il Layer Stackup Manager, mostrato di seguito.

Se sei alle prime armi nel mondo della progettazione di circuiti stampati, la maggior parte dei progetti PCB moderni parte da una scheda a 4 strati su FR4, anche se in Altium Designer puoi definire il numero di strati che preferisci. Puoi inoltre sfruttare la Materials Stackup Library, che ti permette di scegliere tra una gamma di laminati diversi e materiali specifici per il tuo circuito stampato.

Definizione dello stackup degli strati

Se stai lavorando a un progetto di circuito stampato ad alta velocità/alta frequenza, puoi usare il profiler di impedenza integrato per garantire il controllo dell'impedenza sulla tua scheda. Lo strumento del profilo di impedenza utilizza un risolutore di campo elettromagnetico integrato di Simberian per adattare la geometria delle tue tracce e raggiungere il valore di impedenza target.

Definizione di un profilo di impedenza per l'instradamento in un progetto PCB ad alta velocità

Assicurati di decidere lo stile di instradamento prima di iniziare a calcolare le impedenze. Ad esempio, userai una linea coplanare su uno strato dielettrico più spesso, come in questo esempio, oppure una microstriscia/stripline standard su un dielettrico più sottile? Queste scelte sono importanti perché influenzano la larghezza di traccia che potrai usare nel progetto: stili di instradamento diversi impongono larghezze di traccia diverse per raggiungere l'impedenza richiesta.

Tieni anche conto se nel progetto userai l'instradamento di coppie differenziali. Il risolutore di impedenza nel Layer Stack Manager supporta soluzioni sia per coppie differenziali che single-ended, così puoi determinare entrambi i requisiti e utilizzarli durante l'instradamento. Una volta creato lo stackup degli strati e definiti eventuali profili di impedenza, è il momento di impostare le regole di progettazione del circuito stampato per poter iniziare a posizionare e instradare i componenti.

Passaggio 5: Definizione delle regole di progettazione PCB e dei requisiti DFM

Il numero di categorie di regole di progettazione PCB è molto ampio, e non è detto che tu debba usarle tutte per ogni progetto. Puoi selezionare/deselezionare le singole regole facendo clic con il tasto destro sulla regola in questione nell'elenco del PCB Rules and Constraints Editor, qui sotto. Le regole di progettazione PCB sono suddivise in diverse categorie, tra cui:

• Distanze minime tra gli oggetti nel layout PCB, ad esempio tra tracce e pad
• Limiti dimensionali per rame o maschera di saldatura, come fori e sliver della maschera
• Regole di instradamento, inclusi larghezza e lunghezza massima delle tracce applicabili a determinate reti
• Limiti di alta velocità e integrità del segnale, come l'overshoot
• Limiti e distanze di fabbricazione della scheda, come la distanza dal bordo scheda

Questo è solo un esempio delle regole che possono governare un layout PCB, ma sono pensate per garantire che una scheda sia producibile su scala con le capacità standard del tuo fabbricante. Queste regole possono essere applicate a singoli oggetti o a gruppi di oggetti tramite query oppure tramite oggetti Net Class. Dai un'occhiata a questo articolo per scoprire come impostare una Net Class in Altium Designer.

Il PCB Rules and Constraints Editor in Altium Designer

Le regole che utilizzi, in particolare per la produzione, dovrebbero essere allineate alle specifiche e alle tolleranze delle attrezzature del tuo produttore di PCB. I progetti avanzati, come quelli a impedenza controllata e molti progetti ad alta velocità/alta frequenza, possono richiedere regole di progettazione molto specifiche da rispettare per garantire il corretto funzionamento del prodotto. Controlla sempre i datasheet dei componenti per queste regole. Se necessario, puoi creare nuove regole di progettazione seguendo i passaggi del Design Rule Wizard di Altium Designer.

Il Design Rule Wizard in Altium Designer

Altium Designer tratterà le tue regole di progettazione personalizzate esattamente come quelle integrate. Man mano che posizioni componenti, via, fori e tracce, il motore di progettazione unificato di Altium Designer verificherà automaticamente il layout rispetto a queste regole e ti segnalerà visivamente eventuali violazioni.

Passaggio 6: Posizionamento dei componenti

Altium Designer offre grande flessibilità e ti permette di posizionare rapidamente i componenti sulla tua scheda. Puoi far disporre i componenti automaticamente oppure posizionarli manualmente. Puoi anche combinare le due opzioni, sfruttando la velocità del posizionamento automatico e assicurandoti al tempo stesso che la scheda segua buone linee guida di posizionamento dei componenti. Una funzionalità avanzata aggiuntiva di quest'ultima versione di Altium Designer è la possibilità di organizzare i componenti in gruppi. Puoi definire questi gruppi nel layout PCB, oppure definirli sullo schematico usando la Cross Select Mode, accessibile dal menu Strumenti.

• Scopri di più sulle best practice di layout PCB

Posizionamento dei componenti con la Cross Select Mode

Passaggio 7: Inserimento dei fori

Prima di instradare le tracce, è una buona idea posizionare i fori (di montaggio e i via). Se il tuo progetto è complesso, potresti dover modificare la posizione di almeno alcuni via durante l'instradamento delle tracce. Questa operazione può essere effettuata facilmente dalla finestra di dialogo Properties del via, mostrata di seguito.

Finestra di dialogo delle opzioni dei fori

Le tue preferenze in questo passaggio dovrebbero essere guidate dalle specifiche di design for manufacturing (DFM) del tuo produttore di PCB. Se hai già definito i tuoi requisiti DFM come regole di progettazione (vedi il Passaggio 5), Altium Designer controllerà automaticamente queste regole mentre posizioni via, fori, pad e tracce nel tuo layout.

Passaggio 8: Instradamento delle tracce

Una volta posizionati i componenti e gli eventuali altri elementi meccanici, sei pronto per instradare le tracce in questo passaggio. Mentre instradi la scheda, cerca di definire una strategia per completare prima le connessioni più importanti, per poi riempire gli spazi rimanenti con le connessioni restanti secondo necessità. Tra le connessioni importanti rientrano le reti di alimentazione, le reti a impedenza controllata e le reti sensibili al rumore, come i segnali analogici di basso livello. Assicurati di seguire buone linee guida di instradamento e di sfruttare gli strumenti di Altium Designer per semplificare il processo, come l'evidenziazione delle reti e le funzionalità di instradamento interattivo.

• Scopri di più sull'instradamento PCB e sulle best practice

Instradamento dei via con codifica a colori

Altium Designer include numerosi strumenti importanti per rendere l'instradamento più semplice e produttivo. È disponibile un motore di autorouting che utilizza un algoritmo moderno per instradare le tracce e attraversare coppie di strati tramite via. Gli strumenti di instradamento auto-interattivo ti permettono di guidare una funzione di instradamento automatizzata per velocizzare le connessioni complesse tra i componenti, mentre il motore DRC online applica automaticamente le regole di progettazione durante l'instradamento. Questi strumenti operano su più reti contemporaneamente, rendendo semplice instradare un gran numero di tracce in parallelo.

Passaggio 9: Aggiunta di etichette e identificatori

Con il layout del circuito stampato verificato, sei pronto ad aggiungere etichette, identificatori, contrassegni, loghi o altre immagini alla scheda. È buona norma includere i riferimenti (reference designator) dei componenti, poiché facilitano l'assemblaggio del PCB. Assicurati inoltre di mantenere visibili gli indicatori di polarità, gli indicatori del pin 1 e le altre etichette, perché aiutano nell'assemblaggio e nel collaudo del PCB, oltre che nel debug della scheda durante i test. Puoi anche aggiungere il logo aziendale e i codici parte usando gli strumenti immagine e testo del PCB Editor. Questi elementi devono essere posizionati negli strati Top Overlay o Bottom Overlay del layout PCB.

Loghi e codici parte possono essere aggiunti alla serigrafia (strati overlay)

Passaggio 10: Generazione dei file di progettazione

Prima di creare i deliverable per il produttore, è sempre buona norma verificare il layout della scheda eseguendo un design rule check (DRC). Altium Designer lo fa automaticamente mentre posizioni i componenti e instradi il progetto, ma non fa mai male eseguire un altro DRC manualmente. Se la scheda supera il controllo, sei pronto a rilasciare i deliverable al produttore.

Una volta che la scheda ha superato il DRC finale, devi generare i file di progettazione per il produttore. I file di progettazione devono includere tutte le informazioni e i dati necessari per realizzare la scheda, comprese eventuali note o requisiti speciali per assicurarti che il produttore abbia ben chiaro cosa richiedi. Per la maggior parte dei produttori potrai usare un set di file Gerber, come mostrato di seguito; tuttavia, alcuni produttori preferiscono altri formati di file di produzione (IPC-2581 o ODB++).

• Scopri di più sui file di output per la produzione

Set di file Gerber

Seguendo i passaggi di progettazione PCB illustrati sopra, il processo di creazione di un progetto completo diventa semplice come contare fino a dieci. Adottare un approccio sistematico come questo garantisce che tutti gli aspetti del tuo progetto vengano presi in considerazione durante il processo, riducendo al minimo la necessità di tornare sui propri passi.

Che tu debba sviluppare elettronica di potenza affidabile o sistemi digitali avanzati, Altium Develop unisce ogni disciplina in un'unica forza collaborativa. Libero dai silos. Libero dai limiti. È il luogo dove ingegneri, progettisti e innovatori lavorano insieme per creare senza vincoli. Scopri Altium Develop oggi stesso!

FAQs

Quali sono le fasi principali nella progettazione di un PCB?

La progettazione di un PCB segue sempre lo stesso processo, indipendentemente dalla complessità: creazione dello schema, definizione dello stackup e delle dimensioni, posizionamento dei componenti, routing delle piste, verifica degli errori ed export dei file di produzione. Ogni fase è strettamente connessa alle altre: un posizionamento errato rende il routing molto più difficile, mentre gli errori nello schema sono complicati da correggere nelle fasi avanzate del progetto. Per questo molti progettisti preferiscono ambienti come Altium Designer che mantengono schema e layout sincronizzati, così da individuare i problemi il prima possibile.

A cosa servono le regole di progettazione dei PCB?

Le regole di progettazione fungono da “barriere di protezione” per il layout, aiutando a prevenire problemi di produzione e difetti elettrici. Controllano aspetti come la spaziatura delle tracce, le dimensioni dei via, la clearance della maschera di saldatura e i vincoli delle coppie differenziali. Quando si utilizza il DRC del software CAD, le violazioni vengono segnalate automaticamente man mano che si verificano, eliminando la necessità di verificare ogni elemento manualmente e facendo risparmiare ore di lavoro.

Qual è l'errore di layout PCB più comune tra i principianti?

Molti nuovi progettisti iniziano a tracciare le piste prima di aver dedicato tempo sufficiente al posizionamento dei componenti. Il posizionamento è però la fase in cui si crea quasi tutto il valore della scheda: avvicinare i componenti critici e minimizzare la lunghezza dei percorsi di segnale rende il routing molto più semplice. I progettisti esperti riorganizzano il posizionamento più volte prima di tracciare una singola pista.

Perché è importante la progettazione dello stackup del PCB?

Lo stackup influisce sull'impedenza, sul comportamento EMI, sui percorsi di ritorno della corrente e, in ultima analisi, sulla qualità del segnale. Per le applicazioni a bassa velocità è possibile adottare stackup semplici, ma a velocità di trasmissione o frequenze di commutazione più elevate lo stackup diventa determinante per le prestazioni complessive. Anche differenze minime nella separazione tra gli strati possono produrre variazioni significative nelle caratteristiche elettriche.

In che modo Altium Designer aiuta ad accelerare lo sviluppo dei PCB?

Avere schema, layout, regole e output di produzione in un unico ambiente elimina la necessità di passare da un'applicazione all'altra e riduce drasticamente la sincronizzazione manuale dei dati di progetto. Questo si traduce in un risparmio di tempo considerevole, soprattutto su progetti di grandi dimensioni con modifiche frequenti.