Affrontare le conformità della progettazione PCB per la produzione

Jason J. Ellison
|  Creato: January 6, 2022
Affrontare le conformità della progettazione PCB per la produzione

Se stai leggendo un Blog di Altium, molto probabilmente hai già progettato o prodotto circuiti stampati. Se sei come me, inviare un progetto al processo di produzione è un'esperienza non troppo piacevole. Da un lato, ti ritroverai a dover gestire l'hardware che hai progettato con fatica, mentre dall'altro, sai benissimo che il produttore inizierà ad inviarti un elenco di richieste relative alla progettazione, e questo non è mai gradevole. In questo articolo parleremo delle principali funzionalità di progettazione da implementare e dei passaggi da seguire prima della produzione, che ti aiuteranno a prevenire problemi durante il processo di progettazione. Ti fornirò inoltre alcuni esempi relativi a questi problemi di progettazione presenti nell'integrità di segnale dei circuiti.

Inizia da uno stack affidabile

Molti ingegneri scelgono un materiale in base alle caratteristiche fisiche del laminato e dimenticano che è disponibile solo in spessori limitati. Pertanto, lo stack-up deve essere progettato in base alle opzioni disponibili, e non rispetto a spessori arbitrari. Se non progetti con questi spessori determinati potrebbe essere necessario apportare modifiche significative alla geometria delle tracce, nella situazione in cui il produttore ti raccomanderà uno stack-up realizzabile. Ad esempio, se progetti una traccia stripline, basata su una separazione arbitraria del piano di messa a terra di 0,2 mm (due layer dielettrici da 0,1 mm ciascuno) e il produttore ti comunica che il materiale è disponibile solamente con incrementi di 0,13 mm, per preservare l'impedenza le tue tracce potrebbero dover essere posizionate con un margine più ampio o più ravvicinato. Questa situazione diventa particolarmente negativa se il tuo progetto ha già raggiunto i rispettivi limiti di densità.

Per evitare questo problema, contatta il produttore prima di iniziare la progettazione del layout, in modo da comunicare i tuoi intenti relativi alla scheda. O come minimo, indica l'intervallo di frequenza previsto che il circuito stampato dovrà supportare, il numero di layer e lo spessore complessivo che vorresti realizzare. Dettagli come la Costante Dielettrica (DK) per il controllo dell'impedenza, le dimensioni del pannello e l'utilizzo finale previsto, sono molto utili per il produttore, in quanto limitano le possibili opzioni applicabili. La scelta di un materiale adattabile alle esigenze del produttore ti aiuta inoltre ad ottenere buoni risultati fin dai primi tentativi.

Conforme allo standard IPC-A-610

Lo standard ICP-A-610 ti sarà di grosso aiuto nel comprendere i passaggi utili per produrre al meglio la tua scheda. Il documento è acquistabile ad un prezzo contenuto e se non puoi procurarti una copia, ti consiglio di comprarlo [1]. Nel documento relativo a questo Standard, i circuiti stampati sono raggruppati in tre classi. La classe 1 include gli articoli fuori produzione, per i quali la percentuale di guasti non è molto importante. La classe 2 comprende l'elettronica affidabile e deve avere un basso tasso di malfunzionamenti relativo al processo di produzione. La classe 3 si riferisce a quei dispositivi che devono garantire un perfetto funzionamento, come il classico esempio del pacemaker. Le specifiche richieste tra le classi sono fondamentalmente il livello di margine di sicurezza creato per compensare le modalità di guasto relative ai PCB e i criteri di progettazione correlati, che includono le limitazioni fisiche del processo di produzione dei circuiti stampati per una determinata area.

Per la maggior parte dei dispositivi, risulta necessario inserire una nota di produzione sul tuo layer per il modello di perforazione, dove viene specificato che "Questo PCB deve essere prodotto in conformità alla Classe 2 dello standard ICP-A-610". Questa informazione è utile al tuo produttore per garantire che tutte le tue creazioni siano conformi a questo standard. Eccoti un piccolo segreto sulle aziende produttrici: Verificano sempre la classe ICP 2, per tutti i progetti. Lo fanno ovviamente per garantirti che non restituiranno la scheda con eventuali difetti. Quindi, se loro controllano il tuo PCB rispetto ai criteri di Classe 2 dell'ICP, dovrai verificare che la tua creazione soddisfi le specifiche prima di inviargliela. Può sembrare scontato, ma è uno dei problemi più comuni che mi vengono riportati dagli ingegneri.

Rispettare la conformità della maggior parte degli standard IPC richiede solamente un po' di buon senso. Ad esempio, non inserire la serigrafia sulle tracce di rame oppure la maschera di saldatura sulle pad SMT. Tuttavia, esistono alcuni criteri che possono essere facilmente ignorati. Questi criteri vengono generalmente ignorati perché il progettista si concentra su un aspetto differente del progetto, come l'integrità di segnale o di alimentazione, invece che sulla produttività.

Dimensione dell'anello anulare

Nel documento ICP, la rottura di perforazione viene descritta e quantificata. Nella maggior parte di aziende produttrici, per evitare la rottura, l'anello anulare attorno ad una via deve avere un diametro maggiore di 0,3 mm rispetto al foro. Questo problema tende a presentarsi con creazioni per connettori coassiali oppure per connettori seriali ad alta velocità. Per quanto riguarda l'integrità di segnale, questa pad è solamente un fastidio e le relative dimensioni dovrebbero essere sempre ridotte al minimo. Gli ingegneri responsabili dell'integrità di segnale cercano generalmente di ridurre questa dimensione a 0,2 mm, e questo è possibile. Tuttavia, non tutte le aziende produttrici possono farlo.

Figura 1. Foro di 0,5 mm (considerando una placcatura della via di 0,06 mm) con un anello anulare di 0,8 mm.
Figura 1. Foro di 0,5 mm (considerando una placcatura della via di 0,06 mm) con un anello anulare di 0,8 mm.

Fori

Distanza dalla traccia al foro

La distanza nominale dal rame su qualsiasi layer rispetto al bordo di un foro non deve essere inferiore a 0,2 mm. Questo per assicurarsi che il foro non si sposti ed entri in contatto con un'altra rete di collegamento. A questo punto, anche se la misura di 0,2 mm risulta abbastanza limitata, i moderni progetti possiedono una densità del circuito maggiore e rendono il raggiungimento di questo vincolo una costante sfida. Il fattore chiave in questo caso è la pianificazione anticipata, per creare di conseguenza canali di routing all'interno del tuo progetto e realizzare le tue tracce. Per esempio, ipotizziamo di avere due linee di vias che sono state create da fori di 0,25 mm e sono posizionate su una guida centrale di 1 mm. Il tuo canale di routing sarà quindi di 0,75 mm, meno 0,2 mm su ogni lato per la progettazione dedicata alla produzione (DFM): 0,35 mm. Se hai bisogno di inserire due tracce, potresti utilizzarne da 0,12 mm, distanti fra loro 0,1 mm. Nelle applicazioni dedicate all'integrità di segnale, questa situazione si presenta abbastanza spesso quando si impiegano connettori backplane. Con AirMax™ [2], ad esempio, il connettore ha linee di vias create da fori di 0,6 mm con una guida centrale di 2 mm. Questo genera una dimensione massima di 1 mm relativa al canale di routing (2 - 0,6 - 0,2 - 0,2). Questo esempio è mostrato nell'immagine seguente.

Figura 2. Linea 10/10/10 tracciata attraverso un passo di campo della via di 2 mm. 
Figura 2. Linea 10/10/10 tracciata attraverso un passo di campo della via di 2 mm. 

Distanza da foro a foro

La distanza minima assoluta tra i fori è una questione complessa. La punta di perforazione si muove durante la rotazione, creando una tolleranza di posizionamento. Questo fenomeno è noto come incrudimento. La punta di perforazione subisce inoltre spostamenti dovuti al materiale non resinoso del laminato (fibra di vetro, tessuto o ceramica). La posizione del foro viene quindi alterata durante il suo percorso di perforazione attraverso la scheda. Questo è noto come passo di perforazione. Per stimare in modo convenzionale la distanza da mantenere fra i fori bisogna utilizzare la seguente formula:

Distanza minima da foro a foro = diametro di perforazione x 2

La moltiplicazione per 2 deriva in realtà da altri due valori collegati allo stack-up e al materiale. Questo numero può essere inferiore e, se hai bisogno di una densità minore della via, contatta il produttore per conoscere le sue specifiche minime.

Dimensione massima del foro

Come indicato in precedenza, la perforazione ha ovviamente delle limitazioni. Oltre a quanto già affermato, la dimensione massima del foro è correlata allo spessore del circuito stampato. Questa limitazione è nota come Rapporto larghezza-altezza. Il Rapporto larghezza-altezza è una specifica variabile rispetto a ogni produttore di schede e deve essere presente nel relativo documento interno delle funzionalità. In genere, le aziende produttrici possono realizzare schede 12 volte più spesse rispetto al più piccolo foro. A seconda dell'azienda produttrice, questo problema può essere risolto eseguendo una perforazione da entrambi i lati. Questo concetto raddoppia essenzialmente il Rapporto larghezza-altezza. Per una semplice consultazione, di seguito troverai una tabella con gli spessori massimi del PCB, per le specifiche dimensioni minime del foro.

Tabella 1. Spessore massimo della scheda per uno specifico foro minimo e Rapporto larghezza-altezza.
Tabella 1. Spessore massimo della scheda per uno specifico foro minimo e Rapporto larghezza-altezza.

Il Rapporto larghezza-altezza inoltre può variare a seconda che la via abbia bisogno o meno di una dimensione definita del foro. Ad esempio, i fori da 0,25 mm sono molto comuni per diverse vias di messa a terra e questi fori non devono avere una dimensione definita del foro. Tuttavia, i moderni connettori per comunicazioni a 56 Gb/s e oltre, hanno fori da 0,45 mm, con una perforazione definita che rientra in un intervallo accettabile. Pertanto, il foro da 0,45 mm rientrerà probabilmente in un rapporto di 12:1, mentre il foro da 0,25 mm avrà un rapporto di 20:1. Ciò limiterà le dimensioni della scheda a circa 5 mm.

Conclusione

Per ricevere un perfetto PCB dalla produzione, esegui la tua progettazione in base al processo di produzione. Inizia consultando le linee guida sopra esposte e avrai un vantaggio consistente. Probabilmente si presenteranno ulteriori problemi che non sono stati trattati in questo blog. Se si dovessero verificare, prendi nota e crea ulteriori regole per il tuo nuovo progetto, sia per la tua azienda sia per il tuo produttore. Questo processo ti aiuterà a risparmiare diverso tempo dedicato alla progettazione per la produzione e molto probabilmente diversi grattacapi.

[1] Sito web dove è possibile acquistare lo standard IPC-A-610: https://shop.ipc.org/IPC-A610G-English-D
[2] Connettore AirMAX: https://www.amphenol-icc.com/airmax-10016527101lf.html

Hai bisogno di ulteriori informazioni su come Altium possa aiutarti con il tuo prossimo progetto PCB? Parla con un esperto Altium oppure consulta nuovamente le linee guida di progettazione e produttività.

Sull'Autore

Sull'Autore

Jason J Ellison received his Masters of Science in Electrical Engineering from Penn State University in December 2017.
He is employed as a signal integrity engineer and develops high-speed interconnects, lab automation technology, and calibration technology. His interests are signal integrity, power integrity and embedded system design. He also writes technical publications for journals such as “The Signal Integrity Journal”.
Mr. Ellison is an active IEEE member and a DesignCon technical program committee member.

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