Come gestire le librerie ECAD per un design del layout PCB coerente

Non c'è nulla di più doloroso che fare tutto nel modo giusto in una progettazione hardware, solo per poi vedere fallire la propria scheda a causa di un singolo footprint. Ho vissuto questa esperienza, quindi non ripetete i miei errori. Imparate a gestire le librerie ECAD per un design del layout PCB coerente.

Principali Punti da Ricordare

• Un singolo footprint non corrispondente può costare settimane di ritardo, 20.000 dollari in produzione persa e una relazione con il cliente. Anche le minime disattenzioni possono distruggere fiducia e programmi.
• La disorganizzazione e la mancanza di struttura nelle librerie ECAD sono tra le principali cause di fallimento dei PCB. Processi standardizzati e dati sui componenti sono essenziali.
• Una forte descrizione del componente è più preziosa di un numero di parte perché garantisce tracciabilità, semplifica la sostituzione e previene costosi ridisegni quando i pezzi diventano obsoleti.
• Un design PCB affidabile si basa su cinque pilastri: simboli schematici, dati sui componenti, simulazione, modelli 3D e pattern di atterraggio.
• La simulazione, i controlli di collisione 3D e i footprint conformi agli standard IPC prevengono errori a valle che sono costosi o impossibili da correggere dopo la fabbricazione.
• Un sistema disciplinato di gestione delle librerie trasforma il caos in affidabilità. Il processo non ti rallenta. Gli errori sì.

Il Footprint da 20K

All'inizio della mia carriera da freelance, ero molto veloce, desideroso di dimostrare il mio valore a un nuovo cliente. Il design era completo, la fabbricazione procedeva senza intoppi e tutti i componenti erano disponibili a magazzino. Due settimane dopo, quando iniziò l'assemblaggio, ricevetti un'email che mi fece gelare il sangue: “Pausa produzione – Impossibile posizionare il componente del PCB nell'assemblaggio.”

Ero convinto che si trattasse di un problema legato al numero di parte. Controllai il BOM, lo schema e il layout del circuito stampato. Tutto sembrava a posto. Fino a quando non lo fu.

Un footprint aveva il pinout sbagliato. L'avevo cambiato a metà progetto per un test e dimenticato di sincronizzarlo di nuovo con lo schema. Quel piccolo errore di distrazione ha interrotto la produzione.

Il risultato? $332 sprecati per cinque schede di prova, un ritardo di sei settimane e una produzione da $20k persa. La fiducia del cliente – svanita. Hanno perso la loro scadenza e hanno scelto un altro progettista per il layout. Il collega che mi aveva raccomandato è rimasto cortese, ma non ho mai ottenuto un altro progetto da quella azienda.

È stato brutale, ma anche la lezione più importante della mia carriera. Anche i migliori ingegneri commettono errori quando mancano di struttura. Non avevo una lista di controllo, nessuna standardizzazione, solo ciò che avevo in mente. Questo doveva cambiare.

Ecco il principio fondamentale che ho imparato:

Mantenere i dati essenziali minimi per ogni componente nella tua libreria. Per gli acquirenti, il campo più importante è il Numero di Parte del Produttore (MPN). Ma per i progettisti, è la descrizione del componente.

Perché? Perché gli MPN contano solo quando si acquistano parti, e invecchiano velocemente. Ho imparato a mie spese che dopo solo pochi anni, si può perdere l'accesso alle informazioni sulle parti, ai fornitori o persino al produttore. Senza una descrizione, è necessario decodificare gli schemi vecchi per determinare quale fosse la parte, o peggio, ridisegnare quella sezione della scheda.

Una descrizione dettagliata del componente funge da salvaguardia. Riassume il datasheet, definisce le caratteristiche chiave e ti permette di trovare rapidamente parti equivalenti e attive tra i fornitori. Ecco perché gli ingegneri esperti salvano sempre i datasheet, anche per i condensatori. Sanno che le parti diventeranno obsolete, e il tempo speso a cercare sostituti è produttività persa.

Quindi no, non dovrebbe essere "normale" passare metà del proprio tempo alla ricerca di informazioni sui componenti. Ecco perché ora mi affido a strumenti di gestione del BOM e a un processo standardizzato per mantenere ogni componente tracciabile, sostituibile e pronto per la produzione. Nella prossima sezione, illustrerò quel sistema, quello che ha fatto sì che non perdessi mai più un cliente a causa della disorganizzazione.

Potresti pensare, "Siamo una piccola realtà; un processo ci rallenterà." Anch'io pensavo così. Ma come mostra la mia storia, anche un team di una sola persona può perdere qualcosa quando non rispetti il tuo processo, scoperto solo settimane dopo durante l'assemblaggio.

Un'unica impronta può rovinare una pianificazione. Se un componente non può essere posizionato, l'assemblaggio si ferma. Poi devi saldare a mano, cosa brutale su una scheda ad alta densità.

Sto condividendo il processo interno che avevo in mente affinché tu non ripeta i miei errori o costi al tuo cliente. Non puoi aspettare di "crescere" nel processo. I team più piccoli hanno meno margine di manovra. Un po' di rigore per componente risparmia settimane di lavoro, decine di migliaia di dollari e protegge le vendite future, il flusso di cassa e l'azienda.

Il processo non ti rallenta. Gli errori sì.

Quindi, qual è la morale? Mantenere una descrizione dettagliata del componente in modo che la parte possa essere ricreata nel lontano futuro e controllare due o addirittura quattro volte i footprint.

Perché le librerie di parti interrompono completamente i lanci di prodotti?

I problemi più comuni con le librerie di parti sono i seguenti:

Record Solo MPN (senza campi descrittivi)

Quello che davvero fa male è quando un record ha solo un numero di parte del produttore e niente per identificare la parte.

Gli MPN diventano obsoleti, e non tutti i produttori manterranno registri di obsolescenza dei vecchi MPN. Le aziende vengono anche acquisite e i vecchi record si perdono nel tempo, specialmente su prodotti a lunga durata come i sistemi aerospaziali. Quando tutto ciò che hai è un numero di parte, le informazioni che erano online per anni possono improvvisamente scomparire oggi.

BOM con Fornitore Unico, Punti Ciechi del Ciclo di Vita

La settimana scorsa, ho inviato un BOM per un cliente. I controlli del layout e dei Gerber erano a posto, ma le parti non erano disponibili, alcune erano sottoscorte (<1–2k unità), e non c'erano fornitori di riserva. Su progetti più vecchi, gli ingegneri avevano più di otto fonti e alternative. Tutto funzionava senza intoppi.

Gli acquirenti spesso devono fare affidamento su più di una fonte, il che significa che gli ingegneri devono fornire opzioni alternative di fornitori nel BOM. Altrimenti, l'assemblaggio subisce ritardi e il progettista deve spendere tempo extra cercando sui siti web dei distributori per trovare inventario.

Il Framework: I 5 Pilastri di un Componente Solido

Ora che è chiaro che una libreria PCB perfetta è essenziale, come possiamo prevenire questi problemi? Ecco un framework robusto da utilizzare nella progettazione e produzione hardware. Ci sono cinque elementi chiave che ogni dispositivo/componente deve avere nella tua libreria di parti. Incidili nella tua banca dati e non tralasciarli mai. Aggiungi tutto ciò che vuoi, ma include sempre questi.

Nelle librerie ECAD, modelliamo l'equivalente digitale di quel dispositivo fisico nel nostro software di progettazione. Per fare ciò correttamente, dobbiamo mostrare:

Proprietà del prodotto

• Informazioni sulla parte: disponibilità, prezzo, quantità minima d'ordine, descrizione e altro ancora.
• Funzionalità elettrica: Modelli di simulazione (come SPICE, IBIS, ecc) per prevedere il comportamento in condizioni diverse prima di spendere soldi in costruzioni e test. Spesso tralasciato nei cicli frettolosi quando calcoli manuali e schede tecniche sembrano sufficienti.
• Modello 3D: Una rappresentazione 3D del dispositivo che mostra altezza, dimensioni e forma, importante per mostrare il posizionamento del PCB all'interno di un contenitore.
• Interfaccia PCB: L'area sul PCB dove si posiziona il componente, l'impronta del PCB, per corrispondere alla parte fisica reale.

Pilastro 1 - Simbolo Schematica

Un simbolo schematica è la rappresentazione concettuale di un componente. Esso trasmette il funzionamento del componente, inclusi i pin, i nomi dei pin e le convenzioni standard dei simboli.

La corretta rappresentazione visiva è importante, quindi non usare scatole generiche. Ad esempio, per una resistenza, usa un simbolo di resistenza appropriato, non una scatola.

Pilastro 2 - Informazioni sul Componente

Questa è la parte più importante di qualsiasi dispositivo perché definisce tutto il resto. Senza i dati del componente, non è possibile acquistarlo o costruirlo. Ogni componente necessita delle seguenti informazioni:

Descrizione del Componente

Questo identifica il componente nel tuo database ed è il modo più veloce per fornire una ricerca ampia basata sulle specifiche. Utilizzare solo il numero di parte del produttore per la descrizione del componente non è pratico perché non consente la ricerca per specifica. Una descrizione abbreviata con alcune specifiche chiave è migliore. Esempio: invece di LTST-C193TBKT-5A, usare LED BLU CHIARO CHIP SMD.

Ma andiamo ancora oltre. Ecco la mia convenzione di denominazione:

Forma lunga (canonica):

LED BLU 470NM CHIARO INDICAZIONE DISCRETO 2.8V 0603 (1608 METRICO) SMD

Media (compatibile con ERP):

LED BLU 470NM CHIARO 2.8V 0603 (1608 METRICO)

Ultra-corta (etichetta/voce di linea):

LED BLU 470NM 0603

Opterei per l'opzione 2, la versione Media (compatibile con ERP).

Descrizione del Componente

Una descrizione del componente include funzione, parametri chiave e tipo di pacchetto. Un "semplice LED" non è solo semplice. Cattura questi dettagli in modo che sia identificabile e utilizzabile.

Le descrizioni accurate dei componenti rendono possibili scambi informati. Per un LED, sono necessari dati come la tensione/corrente diretta e la luminosità (valutazione in mcd). Un nome come "LED BLUE CLEAR CHIP SMD" funziona come nome del componente, ma non come descrizione completa. Non ti aiuterà a trovare un sostituto senza un datasheet.

Una descrizione migliore è: "LED Blu 470nm Indicazione – Discreto 2.8V 0603 (1608 Metrico)." Include direttamente la tensione diretta, la lunghezza d'onda e la dimensione del pacchetto, che sono informazioni sufficienti per localizzare rapidamente un pezzo simile attraverso una semplice ricerca per parole chiave.

Confrontala con una descrizione scadente come "LED Blu SMD." Non ti dice nulla sulla tensione diretta, luminosità, impronta precisa, ecc. Ciò ti costringe ad aprire il datasheet per questo MPN, localizzare le specifiche elettriche di base e confrontarle con i requisiti ingegneristici o il disegno nello schema. 30 minuti per un LED. Scala ciò per 40 componenti in un BOM di 200 voci, e le ore (e i costi) sprecati sono evidenti.

Datasheet

L'unica cosa più preziosa della descrizione del componente è il datasheet. Salva i datasheet per ogni componente che usi perché i produttori cambiano frequentemente i link. Conserva una copia locale e collegala al dispositivo, e memorizza anche il link del portale web come campo del componente.

Pensa alla gerarchia in questo modo:

• Nome del componente: abbreviazione di livello più alto per trovare il componente.
• Descrizione dettagliata: un livello più in basso; astrazione succinta del datasheet.
• Datasheet: fonte della verità.

Lo scopo del nome del componente è aiutarti a restringere la ricerca di ciò di cui hai bisogno. Potrebbe essere sufficiente o meno per sostituire o ricreare componenti. Quando la descrizione contiene abbastanza dettagli per trovare un nuovo componente, ancora meglio.

Numero di Parte del Produttore

Il numero di parte del produttore è obbligatorio, anche se hai una descrizione per il componente. Alcuni produttori usano numeri di parte simili o famiglie di numeri di parte generici (ad es., serie logica 7400, componenti della serie LM3xx, ecc.), quindi il numero di parte deve essere esatto poiché corrisponde a un pacchetto specifico, impronta e specifiche elettriche.

Nome del Produttore

Per evitare confusione nella ricerca di componenti, è importante avere sempre il nome corretto del produttore. Questo è utile anche se si prevede di ordinare alcuni componenti direttamente dal sito web del produttore.

Fornitori

È una buona idea elencare almeno un fornitore. La maggior parte dei produttori vende tramite distributori franchising (ad esempio, Digi-Key, Mouser, Avnet, Newark). Utilizza Octopart per vedere i fornitori disponibili e le opzioni di consegna a casa tua o alla casa di assemblaggio.

Pilastro 3 - Simulazione (Quando Necessario)

Quando le prestazioni in tempo reale sono importanti e hai bisogno di un design corretto al primo tentativo, la simulazione a livello di circuito e di layout offre un buon confronto per i risultati dei test e aiuta a individuare problemi semplici in anticipo.

Cosa possiamo fare quindi per simulare i nostri componenti?

• Modelli SPICE, per il funzionamento di base del circuito, l'analisi dei guasti, specialmente nell'elettronica di potenza.
• Modelli IBIS, per simulazioni ad alta velocità e analisi per rilevare problemi di impedenza in anticipo. Da utilizzare per tempi di salita e frequenze di scheda intorno a 1 GHz e superiori. Praticamente obbligatori per il digitale ad alta velocità (DDR, PCIe Gen 3/4/5, USB 3.2). Per valori vicini o superiori a ~10 GT/s, simulare con IBIS per convalidare prima dei test. Tenere presente che i risultati possono variare a seconda del materiale dielettrico del PCB.

Pilastro 4 - Modello 3D/MCAD

Molti prodotti hanno tolleranze ristrette negli alloggiamenti meccanici, quindi ogni millimetro in X, Y e Z conta. Utilizzando il controllo di collisione 3D contro l'involucro, è possibile individuare un problema di interferenza prima di costruire qualsiasi prototipo di assemblaggio.

Anche nel 2021, non era raro lavorare solo con le impronte, ma se si sta andando in produzione, includere modelli 3D ed eseguire test di collisione. Se il componente non può essere posizionato sul PCB, non si ha un prodotto. Il componente esiste al di là del PCB. I formati 3D tipici sono STEP (AP224, AP214, ecc.). Raccogliere questi modelli e mantenerli organizzati.

Pilastro 5 - Schema dei Pad sul PCB

Dobbiamo posizionare il componente sul PCB. Il pattern di contatto definisce i pad di rame dove il componente sarà saldato. C'è il pattern di contatto raccomandato dal produttore, e c'è il pattern di contatto realistico che dipende dalla densità del layout del PCB come definito negli standard IPC. Le opzioni come Condizioni di Materiale Minime, Nominali e Massime in IPC-7351/7352 sono intese a bilanciare la spaziatura tra i pin dei componenti rispetto alla necessità di formare un filletto di saldatura sufficientemente grande.

Dato il suo ruolo importante, ecco cosa controllo sempre per le impronte.

Checklist per l'Impronta del PCB

• Polarità del pin-1
• Percentuale di riduzione della pasta indicata (0% è lo standard attuale. Il fabbricante la modificherà)
• Cortile
• Dimensioni del pad indicate (evita che ogni ingegnere debba farlo manualmente ogni volta)
• Razionale per le opzioni Più/Meno/Nominale
• Regioni di esclusione

Ci sono altri controlli da fare, ma questi sono i più importanti. Non vuoi scoprire durante il layout che un componente lascia troppo poco spazio su un PCB ad alta densità. Dovrai cambiarlo o trovare comunque l'impronta o il componente corretto. Fai il lavoro ora, o fai il doppio del lavoro più tardi.

Conclusione e una Forte Raccomandazione

"Un progetto di PCB è valido tanto quanto la sua libreria CAD." Questo è ciò che ricordo del mio incontro con Tom Hausherr durante il periodo di festività del dicembre 2021, mentre condivideva storie di guerra dalla guida agli aggiornamenti IPC-7351.

La conclusione era chiara: i componenti determinano il successo del PCB. Ogni fallimento irreparabile che ho avuto risaliva a una negligenza nei componenti. Con le parti giuste, un circuito difettoso può spesso essere aggiustato, ma non i dispositivi stessi. E dopo la fabbricazione, trovare un sostituto compatibile per il footprint è una scommessa, per non parlare del tempo perso a dissaldare e rilavorare invece di testare.

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