Il grande dibattito sulle "regole empiriche" del layout PCB è più acceso che mai

Ancora oggi vedo i progettisti utilizzare "regole empiriche" vecchie ormai 20 anni per il layout dei loro PCB. Ma queste pcb layout rules si possono ancora applicare in modo universale? La mia risposta è: dipende. Quando si parla di regole di progettazione PCB, molte delle discussioni sui forum di settore degenerano in battibecchi tra fazioni opposte: da una parte chi pensa che queste vadano sempre e comunque applicate, dall'altra chi ritiene che non debbano mai essere usate. Questo porta molti progettisti ad utilizzare o ignorare regole di progettazione indiscriminatamente. A volte, questo può non comportare conseguenze apprezzabili; come possono confermare molti veterani della progettazione PCB, certe schede sembrano funzionare nonostante una progettazione tutto fuorché perfetta.

Tuttavia, il punto non è stabilire se queste regole siano corrette o meno; il problema è che spesso si parla delle regole empiriche senza stabilire un contesto, cadendo nella trappola delle generalizzazioni. Il mio obiettivo in questo articolo è quello di comunicare il contesto che sottende le più comuni pcb layout design rules. Spero di riuscire a spiegare in modo convincente quando queste regole sono applicabili e quando invece dovrebbero essere ignorate.

Le rules of thumb per il layout PCB

Senza ulteriori indugi, analizziamo alcune regole empiriche per il layout PCB (pcb layout rules of thumb) e cerchiamo di fornire un contesto utile per giudicare meglio la loro applicabilità.

Routing ortogonale

Ho discusso di questa particolare regola empirica in un recente articolo, quindi mi limiterò a ripeterne solo i punti più salienti. La regola del routing ortogonale afferma che le tracce sui layer di segnale adiacenti devono essere sbrogliate in direzioni perpendicolari per eliminare la diafonia induttiva tra le tracce. Alle alte frequenze, noteremo che è la diafonia capacitiva a dominare, producendo picchi di corrente tra le tracce ortogonali.

A bassi tempi di salita e frequenze ridotte (meno di pochi GHz), non è presente una diafonia capacitiva apprezzabile tra le tracce ortogonali su layer adiacenti. Nelle schede RF ad alte frequenze (diverse decine di GHz), le risonanze di cavità nella trama della fibra e tra strutture conduttive non messe a terra andranno a creare forti risonanze elettromagnetiche a frequenze specifiche. Verrà quindi generata una forte diafonia tra i layer di segnale, indipendentemente dal routing ortogonale delle tracce.

La scelta migliore a qualsiasi frequenza è semplicemente quella di separare i layer di segnale con layer piani. Questo è particolarmente vero quando si tratta di PCB d'avanguardia, che operano a frequenze limite/frequenze elevate a causa delle famiglie logiche utilizzate nei circuiti integrati di ultima generazione. In ogni caso, anche quando si sceglie un routing ortogonale, si dovrebbe comunque eseguire una simulazione della diafonia di base con tracce ortogonali per verificare se la diafonia superi o meno il margine di rumore. È importante assicurarsi inoltre di pianificare attentamente il percorso di ritorno, poiché questo è uno dei problemi principali legati al routing con tracce ortogonali.

I via termici

I via termici sono uno dei temi più polarizzanti nel mondo dei PCB: un progettista dirà di non aver mai usato via termici e di non aver mai riscontrato problemi di saldatura o assemblaggio. Al contempo, un altro dirà che i via termici devono essere sempre utilizzati per ogni collegamento del piano. A chi dare ascolto?

Entrambi hanno ragione, in situazioni diverse. Se si esegue la saldatura manuale è possibile aumentare la temperatura del ferro per compensare la dissipazione del calore in un layer piano. Al contrario, se l'assemblatore utilizzerà la saldatura a onda, allora si avrà bisogno di via termici per prevenire lo spostamento dei componenti, giunti di saldatura freddi e uno scarso equilibrio termico (tombstoning). Io credo sia meglio tagliare la testa al toro e utilizzare solo via termici.

Routing ad angolo retto

Questa è una di quelle rules of thumb PCB che tutti noi del mestiere amiamo odiare. Ancora oggi vedo progettisti affermare che le tracce non andrebbero mai e poi mai sbrogliate ad angolo retto, come se gli elettroni non potessero superare un angolo di 90 gradi, o come se non esistessero già gli angoli retti in prossimità dei fori di via. Ma le ragioni sono anche pratiche: è infatti possibile eseguire un routing più breve eseguendo due curve di 45 gradi, piuttosto che due di 90. Altre spiegazioni per questa regola stabiliscono infine come l'esterno di tutte le curve di 90 gradi debba essere smussato. C'è anche il discorso delle trappole acide, sebbene questo non sia un problema per i moderni mordenti alcalini.

A meno che tu non stia lavorando a 50 GHz e oltre (attualmente, solo la comunità mmWave Radar/5G lo fa), non dovrai preoccuparti delle tracce ad angolo retto. È infatti possibile sbrogliare a qualsiasi angolo mantenendo comunque il controllo dell'impedenza durante l'interconnessione. Questo processo è estremamente semplice utilizzando strumenti di routing integrati con un solver di campo elettromagnetico.

La regola 3W

Questo punto in realtà si riferisce a tre regole diverse. La prima versione della regola 3W afferma che la spaziatura tra tracce adiacenti dovrebbe essere almeno 3 volte la larghezza delle tracce stesse. L'obiettivo è quello di ridurre al minimo il flusso magnetico tra le tracce; per logica, infatti, la riduzione del flusso magnetico tra le tracce dovrebbe ridurre anche la diafonia induttiva.

Tuttavia, le applicazioni pratiche di questa regola sembrano ignorare il fatto che la forza della diafonia induttiva è proporzionale all'induttanza del loop della traccia influenzante/influenzata, a sua volta proporzionale all'area racchiusa da entrambe le tracce. Se l'induttanza del loop e l'area racchiusa da ciascuna traccia fossero ridotte, le tracce potrebbero poter avere una distanza inferiore alle 3W. Proprio come nel caso del routing ortogonale, è anche qui necessario eseguire una simulazione della diafonia di base variando la spaziatura tra le tracce.

L'altra applicazione pratica di questa regola appare nel routing a dente di sega per l'equalizzazione delle tracce. Questa regola di PCB layout design indica il limite massimo delle dimensioni della sezione a dente di sega per ridurre al minimo le discontinuità dell'impedenza in queste strutture di equalizzazione. Scopri di più su questa versione della regola 3W in questo recente articolo.

Infine, la terza applicazione pratica di questa regola si riferisce alla spaziatura tra le microstrip o le stripline e il vicino versamento di rame. Questa regola di separazione afferma che la distanza tra la traccia e il versamento di rame deve essere di almeno 3 volte la larghezza della traccia per evitare che il versamento modifichi l'impedenza del rame.

Come ho discusso in un recente articolo e dimostrato con alcune semplici simulazioni, questa regola è eccessivamente prudenziale. Anche se la sua applicazione non danneggia necessariamente il progetto, né causa problemi di integrità del segnale, è sicuramente possibile forzarla. La misura esatta in cui è ammesso violarla dipende dalla spaziatura tra la larghezza della traccia e lo spessore del layer, nonché dalla costante dielettrica del substrato. Dai un'occhiata all'articolo suggerito per vedere come calcolare questa misura. Al contrario, se non vuoi perdere tempo a calcolare la spaziatura minima da impostare nelle stripline e microstrip, puoi utilizzare la regola 3W e dormire sonni tranquilli.

La regola "20H"

Questa regola definisce l'estensione di un piano di massa al di sotto di un piano di alimentazione in un PCB. In un moderno circuito stampato, è innanzitutto necessario posizionare il piano di alimentazione adiacente al suo piano di massa, per garantire una sufficiente capacità di interpolazione e ridurre il ripple del bus di alimentazione nelle schede ad alta velocità.

Alcuni studi sperimentali su questo argomento presentano risultati contrastanti. Secondo uno di questi studi, le emissioni RF provenienti da campi marginali a meno di circa 300 MHz possono essere ridotte di ~5 dBμV/m seguendo la regola 20H. A frequenze più elevate, corrispondenti a risonanze forzate nella struttura di guida d'onda dei piani di massa e alimentazione, i risultati sono però diversi: le emissioni RF vengono soppresse ad alcune frequenze ma aumentate ad altre, indipendentemente dal fatto che venga applicata o meno la regola 20H. In effetti, la regola 20H cambia solo le frequenze di risonanza, che sono tutte nella gamma di GHz.

Ecco quindi il verdetto: se le larghezze di banda del segnale sono inferiori alla gamma GHz, allora è possibile adottare tranquillamente la regola 20H. In caso contrario, non sembra esserci un vantaggio universale; se la regola 20H sopprimerà o meno le emissioni RF dai campi marginali dipenderà infatti dalla larghezza di banda del segnale.

Leggi di più sulle PCB layout rules

Dai un'occhiata a questi articoli per scoprire di più sulle regole di progettazione PCB:

• Le 5 principali linee guida per il layout PCB che ogni progettista PCB dovrebbe conoscere
• 7 luoghi comuni sulla progettazione PCB
• Il peggior consiglio che abbiamo mai sentito sulla progettazione PCB

Che si tratti di regole generali del layout PCB (pcb layout rules) o di standard di settore rilevanti per il progetto, è possibile definire entrambi come regole di progettazione con Altium Designer®. L'ambiente di progettazione unificato di Altium Designer integra i tuoi dati di progettazione con gli strumenti di routing e layout, mentre gli strumenti di progettazione confrontano la scheda rispetto alle regole di progettazione già durante la fase di layout. Avrai inoltre a disposizione un pacchetto completo di strumenti per eseguire simulazioni di integrità del segnale e preparare il tuo nuovo prodotto per la produzione.

Ora puoi scaricare una versione di prova gratuita di Altium Designer e approfondire le tue conoscenze sui migliori strumenti di pianificazione del settore per la creazione di layout, la simulazione e la produzione. Contatta un esperto Altium oggi stesso per saperne di più.