Decifrare le note di fabbricazione PCB

Spedire una scheda in produzione è un momento tanto emozionante quanto snervante. Il ciclo di fabbricazione iniziale può portare a molte notti insonni; per questo è importante assicurarsi che tutto sia revisionato più volte e in grado di superare un'ispezione DFM! Quando si deve inviare un progetto in produzione, uno dei documenti cruciali da creare è il disegno di fabbricazione. All'interno di questo disegno si devono includere note di fabbricazione che spieghino al produttore come costruire la scheda.

Perché non è sufficiente consegnare i file di progettazione al produttore? Sono molte le ragioni per cui i file di produzione da soli non sono sufficienti, ma la verità è che la responsabilità nel creare una documentazione di produzione completa ricade sul progettista. Quando si invia un disegno per un progetto, bisognerebbe inviare anche tutte le informazioni necessarie per leggerlo e capirlo. Aggiungere note e informazioni a un disegno di fabbricazione è un processo piuttosto semplice quando si hanno a disposizione gli strumenti di progettazione giusti. In quest'articolo, vedremo come è possibile farlo già all'interno del layout PCB e capiremo come questo aiuti a generare rapidamente dati per il produttore.

Cosa sono le note di fabbricazione PCB?

Il disegno di fabbricazione del circuito stampato viene utilizzato dal produttore per assicurarsi che tutti gli addetti alla produzione comprendano i requisiti del progetto e le istruzioni per la sua fabbricazione. Le note di fabbricazione sono contenute all'interno del disegno di fabbricazione. Non esiste uno standard rigoroso che indichi cosa dovrebbe o non dovrebbe essere incluso in queste note: ogni casa di produzione o studio di progettazione tende ad avere un suo modello di riferimento. La funzione delle note non è quella di spiegare al produttore come fabbricare esattamente il PCB, ma di comunicare i requisiti della scheda nuda in modo che l'intero processo di fabbricazione possa concludersi con successo.

Questo vuol dire che non è necessario riscrivere manualmente tutte le note di fabbricazione quando si invia un progetto in produzione. È possibile copiarne un modello nel layout PCB, inserire alcuni dei punti cruciali specifici per quel progetto e inviarlo al produttore per la revisione. Dai un'occhiata all’esempio qui sotto per avere un'idea di cosa sono le note di fabbricazione. 

È possibile cliccare su questo link per ottenere una copia modificabile delle note in formato di testo. Le note possono essere accorciate o adattate a seconda del progetto. Per i progettisti indipendenti che lavorano su molti progetti allo stesso tempo, inserire queste note nel layout del PCB o in un disegno di fabbricazione può aiutarli a tenere traccia dei requisiti di progetto. Quando si lavora in un'organizzazione più grande, invece, si seguiranno probabilmente i requisiti specifici dettati dall'azienda. Se questi requisiti non sono specificati, spetta all'ingegnere crearli.

Le note di fabbricazione non sono rigorosamente standardizzate in termini di contenuto e formato. Tuttavia, ci sono alcune informazioni di base che è possibile trovare in qualsiasi pacchetto professionale di note di fabbricazione PCB. Molte sono di facile comprensione, come lo spessore della scheda e le tolleranze. Altri aspetti meritano invece una spiegazione più approfondita. Senza entrare troppo nel dettaglio, vorrei evidenziare alcune note particolarmente importanti per garantire la produzione corretta della scheda.

Nota 1: Classe IPC

Questa nota specifica la classe di prestazione della scheda durante il funzionamento secondo lo standard IPC-6012. Questo è uno standard di affidabilità che il costruttore utilizza per determinare il livello d’ispezione necessario per garantirne l'affidabilità. Le tre classi sono:

• Classe 1: Riservata ai prodotti usa e getta destinati a usi occasionali o sporadici
• Classe 2: Destinata ai prodotti a lunga durabilità che richiedono un servizio continuativo.
• Classe 3: Destinata ai prodotti ad alta affidabilità che potrebbero mettere a repentaglio la vita umana in caso di guasto del prodotto. Questo è un requisito standard per le apparecchiature militari, mediche e aerospaziali.

In genere, se non specificato, il livello d’ispezione predefinito sarà quello di Classe 2, o addirittura Classe 1 se si sceglie un produttore più economico. Alcuni progetti o produttori possono essere conformi solo ai livelli d’ispezione IPC-A-600. Discuterò di queste differenze in un prossimo post.

Nota 4-6: Caratteristiche della superficie

Devono essere specificate tutte le caratteristiche della superficie, incluse la maschera di saldatura, la serigrafia e la placcatura. Se non specificate, la finitura superficiale standard è quella in stagno-piombo o argento. È quindi importante chiarire nelle note se si necessita di processi più affidabili come quello ENIG. Non è necessario specificare il font e la dimensione della serigrafia; queste informazioni sono già incluse nei file Gerber.

Nota 15: Requisiti di test

L'esempio precedente mostra un requisito di planarità per la scheda ma, in realtà, sta elencando un requisito di test. Si noti che la parte B della nota 15 elenca:

• TEST SECONDO L'ATTUALE REVISIONE DELL'IPC-TM-650 2.4.22

L'IPC-TM-650 2.4.22 è un metodo di collaudo specifico a cui deve conformarsi la scheda nuda. Questo è un requisito standard per garantire che i componenti non siano inclinati durante la saldatura e l'assemblaggio.

Altri requisiti di collaudo possono essere elencati in questa sezione. Questi potrebbero includere test di caduta o delaminazione, test di vibrazione (normalmente utilizzati nel PCBA), test di ossidazione, test di cicli di temperatura o qualsiasi altro test che si ritenga importante per l’applicazione finale. Se uno standard IPC o un altro standard industriale elenca la metodologia richiesta per il test, tale standard dovrebbe essere elencato insieme alle specifiche che la scheda deve soddisfare. Questa è prassi comune per le schede aeronautiche che hanno requisiti di sicurezza o affidabilità ulteriori rispetto a quelli specificati negli standard IPC. Se si tratta di un progetto amatoriale o di un singolo prototipo, non è generalmente necessario specificare altro oltre alla planarità, che è un requisito di prestazioni standard tra i produttori.

Nota 16: Materiale PCB

Ho parlato dell'importanza dei materiali e di come specificarli in un precedente post. Questa sezione dovrebbe specificare i requisiti più importanti del materiale scelto. La classificazione d’infiammabilità nell'esempio precedente è la classificazione standard NEMA utilizzata per definire cos'è un substrato FR4. L'altra nota (parte B nell'esempio) è il valore della temperatura di transizione vetrosa (Tg). Maggiore è la temperatura di esercizio prevista della scheda, maggiore dovrà essere il valore Tg richiesto per il substrato per garantire che il PCBA possa resistere a ripetuti cicli termici. In questa sezione non serve specificare i requisiti della costante dielettrica, che verranno invece coperti nella sezione sull'impedenza.

Nota 17: Tolleranza di registrazione

Il livello di registrazione della scheda si riferisce al disallineamento orizzontale tra gli strati del PCB. Quando il PCB viene pressato, si formano piccole variazioni nell'allineamento laterale dei layer, solitamente inferiori a un paio di mil. È impossibile eliminare completamente il problema, ma i produttori sono generalmente abbastanza precisi da scongiurare errori di registrazione durante la perforazione e la placcatura dei fori di via. Un disallineamento contenuto assicura che tutti i pad posizionati sui via con foro passante si allineino e creino una forte connessione al cilindro del via.

Nei progetti IPC di Classe 3, sarà probabilmente necessario aggiungere una teardrop per garantire una buona connessione al via in caso di registrazione errata. È importante assicurasi che gli strumenti di routing PCB siano in grado di applicare teardrop quando si progetta per questa classe di affidabilità.

Nota 19: Impedenza

L'impedenza può rivelarsi complicata poiché è strettamente correlata ai requisiti del materiale PCB. Il motivo per cui è importante specificare i valori di temperatura di transizione vetrosa e l'infiammabilità nella Nota 16 è che questi valori possono essere applicati a una gamma di materiali diversi. Tuttavia, non tutti i questi materiali sono in grado di fornire la giusta impedenza. Questo valore è quindi importante per assicurasi di scegliere il materiale giusto nello stack-up PCB.

È possibile impostare i requisiti d’impedenza nel progetto in diversi modi:

• Larghezza e spaziatura specifiche: si possono specificare i valori d’impedenza necessari per tracce singole o coppie differenziali su layer diversi, nonché la larghezza richiesta, come nell'esempio. È bene notare che non tutti i produttori sono in grado, o si preoccupano, di selezionare i materiali adatti per raggiungere gli obiettivi di progettazione. Alcuni produttori potrebbero invece non avere in stock materiali sufficienti per combinare e abbinare i laminati necessari; sarà quindi necessario rivolgersi altrove o pagare un sovrapprezzo.
• Utilizzare lo stack-up del produttore: la soluzione più facile è quella di contattare direttamente il produttore, ottenere il suo stack-up standard per il numero di layer del progetto e utilizzare i suoi valori di larghezza della traccia/spaziatura delle coppie per realizzare la scheda e raggiungere l'impedenza desiderata. Questo è il modo migliore per accertarsi che il produttore sia in grado di produrre la scheda come da progetto. La mole di lavoro richiesta per le riprogettazioni aumenta con l'aumentare dei layer. Per questo è importante accertarsi di avere tutte le informazioni necessarie prima ancora d’iniziare il progetto.

Se si hanno requisiti diversi su layer specifici, si può creare una tabella d’impedenza che includa informazioni sulla larghezza e sul piano di riferimento per ogni layer nel disegno di fabbricazione. È quindi possibile aggiungere il testo "VEDERE LA TABELLA D'IMPEDENZA PER I REQUISITI DI LARGHEZZA E TOLLERANZA” o qualcosa di simile.

Dove si inseriscono le note di fabbricazione?

Le note devono essere inserite nel disegno di fabbricazione, ad esempio in un file DWG/DXF o in un file PDF. Il disegno di fabbricazione della scheda, la tabella di perforazione, la tabella d'impedenza e il disegno dello stack-up potrebbero essere contenuti tutti all'interno dello stesso foglio. È certamente possibile inserire le note su questa pagina se c'è abbastanza spazio. È prassi comune inserire il disegno di perforazione, il disegno dello stack-up, la tabella di perforazione e le note su un'unica pagina e i layer Gerber su una pagina diversa.

Un'altra opzione è quella d’inserirle direttamente nel layout PCB, il che significa trasformare il layout PCB in un grande disegno di fabbricazione. È possibile utilizzare un oggetto String nel layout PCB e quindi incollare direttamente le note di fabbricazione. Possono essere posizionate su un layer meccanico ed esportate come parte dei file Gerber (per esempio nel layer di perforazione). Ciò consente a chiunque abbia il file di progetto di vedere le note di fabbricazione direttamente accanto al layout.

Contattare direttamente il produttore è la chiave del successo

La prassi migliore da seguire quando si costruisce una nuova scheda, è quella di contattare in anticipo il produttore per capire cosa includere nelle note di fabbricazione. Se si riescono a ottenere queste informazioni, è possibile includerle nelle note di fabbricazione insieme al disegno di fabbricazione. Questo documento sarà l'archivio centrale per tutti i dati di progettazione del progetto. È quindi utile creare e conservare note di fabbricazione approfondite per facilitare le eventuali produzioni future. Imparare a creare la documentazione di progetto è utile anche per i progettisti indipendenti che desiderano in futuro lavorare in organizzazioni più grandi. Nelle grandi aziende infatti, la documentazione è una parte cruciale del lavoro e deve per questo essere molto approfondita.

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