Progettazione ingegneristica di front-end per i prodotti PCB

Nella sua connotazione più ampia, il termine "ingegneria di front-end" indica un approccio alla progettazione ingegneristica indirizzato verso il controllo dei costi di progetto e la pianificazione accurata. Il processo di sviluppo del prodotto PCB comprende tutti i passaggi che avvengono prima del processo di fabbricazione della scheda. In questo articolo, esamineremo questi passaggi, capiremo cosa accade in ciascuno di essi e ne individueremo gli elementi cruciali. Gli articoli successivi si occuperanno invece delle operazioni eseguite durante il processo di fabbricazione.

Cosa contengono i file

Come mostrato nella Figura 1, la progettazione ingegneristica di front-end è il primo passo verso la fabbricazione di un PCB. È importante notare come il processo mostrato in questa figura sia lo standard di fabbricazione per la produzione di PCB multistrato.

Figura 1. Processo di fabbricazione di PCB multistrato

Tutti i dati di progettazione PCB creati durante la fase di layout vengono consegnati al produttore per dare inizio al processo di produzione. Le postazioni di produzione assistita da computer (CAM) elaborano quindi i dati di progettazione determinando gli strumenti necessari per la fabbricazione del PCB. La Figura 2 mostra una tipica postazione di progettazione ingegneristica di front-end.

Le informazioni fornite per questo processo includono:

• I dati “Gerber” o le immagini dei layer PCB.
• La netlist che mostra la connettività del PCB.
• Informazioni sullo stack-up.
• Informazioni sulla foratura.
• Specifiche di fabbricazione.
• Specifiche dei materiali.

Figura 2. Tipica postazione di ingegneria di front-end

Come si può notare, poter garantire che le informazioni consegnate al fabbricante siano complete e accurate, avrà un impatto diretto sull'esito della fabbricazione. La tabella 1 comprende l'elenco dei file tipicamente richiesti da un produttore. Sono diversi i formati utilizzati per questi dati, inclusi GenCam, Gerber e OCB++.

Tabella 1. File solitamente necessari per fabbricare PCB

Iniziare con la progettazione ingegneristica di front-end

Il primo passo nella progettazione ingegneristica di front-end consiste nel verificare l'accuratezza del progetto. Una parte fondamentale di questo processo è la sintesi di una netlist a partire dai dati Gerber o dall'artwork che mostri come sarà collegato il PCB se costruito sull'artwork. Questa lista sintetizzata viene confrontata con la netlist CAD (fornita come indicato sopra) e mostra come dovrebbe essere collegato il PCB. Il confronto delle netlist è il primo cruciale passaggio nella scelta degli strumenti di fabbricazione e non dovrebbe mai essere omesso, non importa quanto stretti siano i tempi. Le informazioni contenute nella netlist devono essere complete e accurate per evitare risultati inconclusivi, anche detti "garbage in, garbage out." Se la netlist di dati Gerber e la netlist CAD non coincidono, è necessario risolvere le discrepanze prima di eseguire ulteriori operazioni. Questa operazione di confronto delle netlist è un checkpoint fondamentale per individuare errori che potrebbero essersi insinuati all'interno dei dati di progettazione durante le fasi di lavoro. Saltare questo passaggio porta spesso a produrre PCB sbagliati e inutilizzabili fin da principio. Una volta completato con successo il confronto delle netlist, il passaggio successivo consiste nel controllare l'artwork di progettazione per garantire:

• La larghezza corretta delle tracce.
• Le distanze corrette.
• La registrazione corretta dei layer.
• Dimensioni del pad adeguate alle dimensioni dei fori di via e alle tolleranze.

Se il PCB è fabbricato, è impedenza controllata. Il team di progettazione non è stato in grado di fornire le larghezze delle tracce, gli spessori dei laminati e gli stili necessari per ottenere l'impedenza corretta su ogni layer. Saranno gli ingegneri di front-end a utilizzare strumenti di previsione dell'impedenza per ottenere queste informazioni cruciali. Per esperienza, credo che non sia saggio lasciare questo passaggio nelle sole mani del produttore, dal momento che tutti tendono ad adattarlo ai propri standard di produzione. Questo potrebbe comportare PCB completamente diversi, prodotti da due diversi produttori, a partire dallo stesso pacchetto. È questo il motivo per cui insistiamo così tanto sulla progettazione di stack-up nei nostri corsi e nei nostri articoli. Non farlo potrebbe costare tempo, denaro, e opportunità preziosi.

Strumenti di produzione

Il passo successivo è la creazione degli strumenti di produzione. Questi comprendono:

• Artwork di produzione per ciascun layer.
• File di foratura.
• Strumenti di test.
• Profili di routing.
• Programmi di rivestimento.
• Programmi di incisione.
• Istruzioni per il Lay-up.
• Programmi di laminazione.
• Test qualitativi.

Ciascuno di questi documenti è spiegato in seguito.

L'artwork di produzione include una pellicola per ciascun layer PCB, per ciascun lato della maschera di saldatura, e la legenda o serigrafia per ciascun lato. Questo artwork è diverso da quello di progettazione nei seguenti aspetti:

• La larghezza delle tracce è più ampia per consentire il restringimento che si verifica durante il processo di incisione.
• La dimensione effettiva dell'artwork è leggermente superiore per sopperire al restringimento del materiale che si verifica durante il processo di laminazione.
• Le caratteristiche degli strumenti di produzione verranno aggiunte attorno al perimetro del pannello su cui verrà costruito il PCB. Queste caratteristiche includono:

• Punti di registrazione.
• Strutture di test.
• Dighe per equilibrare il flusso di resina nel materiale pre-oreg poiché tende ad ammorbidirsi durante la laminazione.

La figura 3 illustra un dettaglio del layer interno dopo l'applicazione di ossido nero. Gli strumenti di produzione, le dighe (la serie di punti neri) e le strutture di test sono visibili al margine del pannello.

I file di foratura includono le dimensioni e il posizionamento di tutti i fori, sia placcati che non placcati. Sono pensati per fornire lo schema di foratura più efficiente per viaggiare da un foro all'altro. Se è stata specificata la dimensione del foro finito, sarà compito degli ingegneri di produzione calcolare la dimensione della punta necessaria per ottenere il foro desiderato dopo la placcatura. È molto utile aggiungere note specifiche sulla dimensione del trapano. Tradizionalmente, viene specificata la dimensione del foro finito, ed è il fabbricante a scegliere la punta del trapano adatta. I progetti moderni e l'alta densità dei pin dei componenti lasciano poco margine di variazione nella dimensione dei fori. È per questo che suggeriamo di scegliere e finalizzare la dimensione di foratura già durante la progettazione. Questo vuol dire specificare la dimensione della punta del trapano nel file di foratura, piuttosto che la dimensione del foro finito. Se la perforazione laser o la foratura a profondità controllata sono specificate come parte del progetto, anche quei file dovranno essere inclusi insieme ai file di foratura.

Gli strumenti di test includono tutte le informazioni necessarie per costruire il dispositivo di test, le regole di cablaggio per quella struttura di collaudo e la netlist utilizzata dal collaudatore per verificarne la corretta connettività.

I profili di routing includono le istruzioni per la macchina (il router) che andrà a estrarre il PCB dal pannello su cui è stato costruito. Se i PCB sono applicati a un substrato per facilitarne l'assemblaggio, le istruzioni includeranno la creazione delle linee o dei punti di rottura da utilizzare per la depanellizzazione del PCB dopo l'assemblaggio. La Figura 4 mostra un PCB pannellizzato contenente nove piccoli PCB all'interno dello stesso pannello. È stato progettato per ottimizzare il processo di assemblaggio. Le aree chiare rappresentano il materiale da rimuovere attorno a ciascun PCB durante il processo di routing. Dopo l'assemblaggio, ogni PCB verrà rimosso dal pannello.

Figura 4. Un PCB pannellizzato con 6 PCB per pannello pronto per l'assemblaggio

I programmi di rivestimento definiscono con quali metalli verranno rivestiti gli strati esterni del PCB e per quanto tempo il pannello dovrà rimanere in ogni fase di rivestimento per ottenere lo spessore desiderato. È opportuno notare che la creazione di layer interni non comporta il rivestimento.

I programmi di incisione descrivono le fasi di incisione richieste e per quanto tempo il PCB o i layer interni dovranno rimanere in ciascuna fase.

Le istruzioni di layup descrivono come gli strati interni, i sottoassiemi (o dettagli), gli strati pre-preg e le lamine di rame dello strato esterno debbano essere disposti per ottenere lo stack-up finale. Queste informazioni includono il numero di PCB inclusi in una pressatura e le istruzioni per la loro separazione.

I programmi di laminazione specificano la pressione da usare durante la laminazione, il profilo di temperatura per la fase di laminazione, la durata del ciclo di pressatura e il metodo di raffreddamento del PCB laminato.

Oltre ai test di confronto delle netlist descritti sopra, ulteriori test qualitativi sono necessari per verificare aperture e corti tra le piste, così come le distanze fra tracce e fori di via, e fra fori di via e piani.

Riepilogo

La progettazione ingegneristica di front-end si focalizza sui passaggi necessari per portare il PCB dalla fase di progettazione alla fabbricazione. È una parte fondamentale del processo di produzione, capace di garantire la fabbricazione di PCB perfettamente corrispondenti al progetto.

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Fonti:

1. Ritchey, Lee W. and Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design Volume 2.