Come posizionare le cavità PCB per componenti SMD incorporati

Quando parliamo di embedded, non ci riferiamo sempre al software embedded. I componenti possono anche essere incorporati in un PCB posizionando una regione cava negli strati interni. Le regioni cave in un PCB consentono il posizionamento di componenti, il riempimento con rame per un dissipatore di calore incorporato, o il posizionamento incassato sotto uno strato superficiale in un PCB. Se vuoi liberare spazio sugli strati superficiali, o semplicemente abbassare il profilo del tuo PCBA, le cavità sono un'opzione che potrebbe aiutare.

Tipi di Cavità Incassate negli Standard IPC

La revisione più recente degli standard IPC per i PCB rigidi definisce tre tipi di cavità incassate e i loro criteri di accettabilità. I seguenti tipi di cavità sono definiti in IPC-6012F:

Le cavità possono avere rame internamente, come tracce e cuscinetti, rendendole di Tipo 2. Se è presente anche qualche placcatura lungo la parete, come pareti parzialmente placcate, allora questa sarebbe una cavità di Tipo 3.

Le cavità possono anche essere completamente riempite di rame, a volte definite come una moneta di rame (o "coniazione"). Questo viene normalmente fatto affinché la regione interna al PCB possa agire come un grande dissipatore di calore; quando posizionata sotto un componente, fornirà un significativo trasferimento di calore all'interno della scheda. Se la moneta viene poi connessa a un piano o posizionata vicino a un grande piano, fornirà un significativo trasferimento di calore lontano da un componente caldo. Questo può anche essere utilizzato con l'assemblaggio di legame all'involucro, così che ora la moneta + involucro insieme formeranno un grande dissipatore di calore.

Componenti SMD nelle Cavità Utilizzando Footprint PCB

Sebbene la coniazione sia un eccellente caso d'uso, il metodo tipico è utilizzare una cavità per contenere internamente componenti SMD. Questo comporterebbe la definizione di alcuni pad in uno strato interno per un componente SMD. Tipicamente si dovrebbe instradare in questi pad nello stesso strato proveniente dall'esterno delle pareti della cavità, quindi questa sarebbe una cavità di Tipo 2.

Una variante di questo è avere una cavità incassata, che viene tagliata in uno dei strati superficiali. Questo tipo di cavità è probabilmente il più comune ed è utilizzato per ridurre l'altezza complessiva sull'asse z della scheda. Di seguito è mostrata un'immagine esemplificativa che mostra componenti SMD in una cavità incassata di Tipo 2.

Per definire una cavità per un componente SMD in Altium Designer:

1. Definire una regione di cavità nell'impronta PCB
2. Posizionare l'impronta su uno strato interno nel layout PCB, e poi disegnare manualmente la cavità

L'Opzione 2 è utile perché permette di incorporare qualsiasi componente nelle tue librerie senza modificare le impronte. Tuttavia, l'Opzione 1 è utile anche perché mostra una vista più realistica del taglio della cavità in 3D.

Opzione 1: Questo si realizza disegnando una regione solida nell'impronta PCB e impostando il suo Tipo su "Cavità" nel pannello delle proprietà. È generalmente consigliato far corrispondere la dimensione della regione di cavità al cortile del componente (al minimo) più un margine aggiuntivo per le tolleranze di fabbricazione (vedi sotto). Questo garantirà che ci sia abbastanza spazio per posizionare la cavità durante il posizionamento, poiché ciò terrà conto delle distanze dalle pareti della cavità attorno ai pad del componente.

Un esempio per un MCU nRF52 in WLCSP con un footprint BGA è mostrato di seguito. La regione della cavità è disegnata intorno al bordo del pacchetto ed è espansa intorno al cortile per tenere conto del diametro dello strumento di routing. Nota che, se intendi posizionare il componente in una cavità, potrebbe essere necessario rimuovere lo strato di serigrafia o espandere la serigrafia in modo che si trovi al di fuori del bordo della cavità. A causa della difficoltà nel posizionare la serigrafia intorno a un bordo della cavità quando la cavità non è ancora definita nel layout del PCB, suggerirei di eliminare la serigrafia nel footprint e disegnarla manualmente, o semplicemente posizionarla al di fuori del bordo della cavità.

Una volta importato il footprint nel layout del PCB, il componente può essere selezionato e posizionato in uno strato interno utilizzando il pannello delle proprietà. Nota che la cavità ha un attributo Altezza che è definito nel footprint del PCB; l'altezza definirà quanto profondamente la cavità sarà incisa nella profondità dell'ordine del pannello per contenere il componente. Puoi quindi esportare la definizione della Cavità nei tuoi Gerber e includerla nel tuo disegno di fabbricazione come al solito. Assicurati di abbinare il posizionamento nello strato interno all'orientamento del rame nel stackup del PCB!

Per saperne di più sull'uso delle regioni delle cavità, leggi la documentazione al link sottostante.

• Scopri di più sull'uso delle regioni Cavity nei footprint

Opzione 2: Nota che non è necessario utilizzare una regione Cavity per posizionare componenti in uno strato interno, puoi sempre disegnare la cavità a mano in uno strato meccanico nel layout del PCB senza inserirla in un footprint del PCB (vedi sotto). Per incorporare un componente senza usare una regione Cavity nel footprint del PCB, puoi semplicemente selezionare il componente e cambiare la sua proprietà Strato allo strato interno desiderato.

Una volta fatto ciò, i pad per quel componente saranno posizionati nello strato interno come al solito. Tuttavia, questa opzione non crea una vista della cavità in 3D, anche se aggiungi manualmente il contorno della cavità usando uno strato meccanico. Invece, il corpo 3D è semplicemente mostrato come se fosse leggermente immerso nel substrato; se immerso troppo il componente non apparirà affatto, quindi ovviamente non è una rappresentazione accurata dell'incorporamento. Tuttavia, sono in grado di fare ciò senza alcuna modifica al footprint; ho solo bisogno di posizionare manualmente il contorno della cavità e il taglio poligonale con spazio libero nel layout.

Quale è l'opzione migliore da utilizzare? Personalmente, preferisco l'Opzione 2 se devo fare qualcosa con una cavità perché preferisco non dover disegnare la cavità nei miei footprint. Inoltre, se lo stack di layer cambia, potrei essere richiesto di cambiare anche l'altezza della cavità nel footprint, e questo aggiunge un altro livello di lavoro e verifica. Infine, è altrettanto facile configurare il ritiro del rame intorno al bordo della cavità con entrambi i metodi; l'Opzione 1 utilizza semplicemente una regola di distanza (Oggetto a Regione), mentre l'Opzione 2 utilizza la distanza del poligono e/o gli esclusi.

Tuttavia, se hai bisogno di avere una verifica 3D della regione della cavità nel tuo PCB a causa di vincoli meccanici, o hai un singolo componente che userai solo in una cavità, allora l'Opzione 1 è superiore.

Disegnare Manualmente Cavità nel Tuo Layout PCB

Se vuoi disegnare manualmente una cavità nel tuo progetto, anche senza definire una regione, puoi farlo con un layer meccanico nel layout del PCB.

Per iniziare, devi prima selezionare un raggio dello strumento di routing e utilizzare questo per impostare il raggio d'angolo del contorno della tua cavità. Disegna il contorno in un nuovo strato meccanico nel tuo Editor PCB. Puoi utilizzare archi o una regione rettangolare con un raggio d'angolo applicato. Nominare lo strato meccanico in modo riconoscibile, come "CavityLayer".

Una volta disegnato il contorno della cavità e applicato il raggio appropriato, devi applicare delle distanze di sicurezza intorno a quel contorno (vedi sotto). Da questo contorno, potresti usare un keepout per impedire che qualsiasi cosa appaia nella regione della cavità (cavità di tipo base 1). Se stai rimuovendo il riporto di rame dall'interno della cavità, potresti usare una regione di taglio poligonale e dimensionarla più grande del contorno della cavità per tenere conto della distanza di sicurezza e della tolleranza di routing.

Ci sono quattro regole di progettazione da seguire riguardo alle cavità:

• Distante di sicurezza: Assicurati di trattare il contorno di una cavità come un taglio del bordo riguardo a distanze di sicurezza e tolleranze.
• Routing: Puoi eseguire il routing sopra/sotto la regione della cavità su altri strati, ma solo i via ciechi/sepolti possono essere utilizzati nella regione della cavità.
• Zone di esclusione: Posizionare le zone di esclusione nella regione della cavità in modo che corrispondano al confine della cavità. Se si utilizza una cavità incassata, sarà necessaria una zona di esclusione sullo strato superficiale.
• Placcatura dei bordi: Se stai progettando una cavità di Tipo 3, o di Tipo 2 con placcatura dei bordi, applica una tolleranza negativa intorno al bordo della cavità.

Note di fabbricazione per le cavità

Se hai seguito i consigli sopra e posizionato la tua cavità in uno strato meccanico, puoi anche esportare quella definizione di cavità nei dati di fabbricazione standard (Gerber o ODB++). Quando crei i tuoi output, assicurati di includere lo strato meccanico per la tua cavità nell'esportazione Gerber.

Una volta definita la cavità nel tuo progetto, assicurati di includere una nota di fabbricazione che indichi chiaramente le necessità di fabbricazione per la cavità. Quando scrivi la nota di fabbricazione, assicurati di includere le seguenti informazioni:

• Gli strati di inizio e fine per la cavità (L2 e L3 nel mio esempio)
• Il file Gerber contenente il percorso di fresatura della cavità
• Il raggio dell'utensile di fresatura
• La tolleranza richiesta sul percorso di fresatura (solitamente +/- 10 mils)
• Il tipo di cavità come definito nello standard IPC-6012F

Poiché il tuo fabbricante generalmente non esaminerà i tuoi file nativi della scheda, è importante specificare chiaramente questi dati nella tua documentazione di fabbricazione. Se c'è l'opzione di includere note speciali sul tuo modulo di preventivo, assicurati di copiare anche lì la nota di fabbricazione.

Ogni volta che devi inserire caratteristiche meccaniche speciali in un layout di PCB, puoi creare documentazione standard di settore per il tuo PCB con la funzionalità OutJob File e gli strumenti CAD di classe mondiale in Altium Designer®. Per implementare la collaborazione nell'ambiente interdisciplinare di oggi, le aziende innovative stanno utilizzando la piattaforma Altium 365™ per condividere facilmente i dati di progettazione e avviare i progetti alla produzione.

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