Come Prevenire i Cortocircuiti nella Progettazione di Circuiti PCB

Nella maggior parte dei casi, individuare un cortocircuito in un PCB è quasi impossibile finché non è troppo tardi.

Cosa c'è di peggio che trovare una ciocca di capelli nel tuo piatto di pasta, alla cena del tuo appuntamento? Risposta: trovarlo dopo che è finito in bocca. Esistono due modi per evitare scenari imbarazzanti come questo. Per prima cosa, potresti tenere d'occhio il tuo cibo e assicurarti che sia privo di capelli prima che ti entrino in bocca. Il secondo modo è quello di assicurarti che non vi siano possibilità che un capello finisca nel tuo cibo. In questo caso, potresti dover andare in un nuovo ristorante.

Nella progettazione del PCB, far cadere un paio di ciocche di capelli non causerà molti danni, ma ritrovarti un cortocircuito su un PCB può farti davvero arrabbiare. Infatti, il tempo impiegato per identificare un singolo corto circuito e il costo per ripararlo a volte possono costare di più rispetto al PCB assemblato. 

E' un po' come cenare nei ristoranti che lasciano un capello nel cibo: è meglio evitare di aggiungere cortocircuiti al tuo progetto. Nonostante ciò, tutti quanti possiamo commettere errori. Potresti non essere in grado di evitarli completamente, ma puoi utilizzare queste best practice per ridurre al minimo la probabilità che si verifichino. 

Cosa è un Corto Circuito e Perché si Verifica?

Un corto circuito si verifica in una connessione non intenzionale tra due segnali non correlati. Ad esempio, quando la connessione a tensione positiva è collegata al segnale di terra, viene considerata un corto circuito. I cortocircuiti sono visibili ad occhio nudo se i segnali sono collegati da rame spesso. Ciò può accadere se i PCB vengono prodotti manualmente anziché tramite macchina.

I cortocircuiti sono preoccupanti quando i PCB sono fabbricati a macchina. Questo perché il rame, che è sottile come una ciocca di capelli, può finire per collegare due segnali diversi. Questo tipo di corto circuito può non essere rilevato a occhio nudo fino a quando i PCB assemblati non vengono sottoposti a una serie di test di controllo qualità. Sfortunatamente, se un corto circuito viene rilevato troppo tardi nel ciclo di produzione, è sicuro al 100% che causerà inutili perdite di tempo e costi delle materie prime.

Per capire come si verificano i cortocircuiti, è necessario comprendere il processo generale di produzione di PCB. I PCB sono generalmente realizzati in rame laminato su un substrato non conduttivo. Un metodo comune per trasferire i circuiti sul PCB è attraverso l'incisione fotografica, in cui un laminato serigrafico contenente l'immagine del circuito è posizionato sopra il PCB realizzato con rivestimento fotoresistente.

Il PCB viene quindi esposto alla sorgente di luce ultravioletta (UV) e tutte le aree che non sono coperte dalla serigrafia verranno rimosse da una soluzione a base di ammoniaca. Questi processi sono per lo più automatizzati e un'imperfezione nella procedura potrebbe lasciare una sottile linea di pad di collegamento in rame o tracce di segnali diversi. Senza accurati test post-produzione, ciò può causare problemi più avanti nella fase di produzione.

I Cortocircuiti Possono Essere Ridotti Con Un Test Elettrico Appropriato

Come progettista di PCB autodidatta, una delle mie lezioni più grandi e dolorose non è stata quella di sottoporre i miei PCB a test elettrici post-produzione. Non è sicuro presumere che il produttore di PCB eseguirà tutti i controlli elettrici necessari dopo la produzione. Assicurati che i tuoi PCB superino un test elettrico come il Flying Probe Test prima di essere inviati per il montaggio. Il Flying Probe Test sposta sonde ad alta precisione ad alte velocità sui pad dei componenti e delle via per scoprire eventuali difetti di fabbricazione ed errori di progettazione.

Tieni presente che i test elettrici non garantiscono un PCB privo di errori al 100% poiché occasionalmente i corto circuiti possono sfuggire ai test. Tuttavia, il test riduce notevolmente le possibilità di inviare un PCB difettoso per la fase di montaggio. Per ridurre ulteriormente i rischi, è necessario assicurarsi che il produttore del PCB abbia una politica di rimborso per ogni PCB difettoso che supera il test elettrico. In questi casi, i produttori affidabili sostituiranno il PCB difettoso e rimborseranno il costo dei componenti assemblati.

^{Esegui sempre test sui tuoi PCB prima che vengano assemblati}

Cosa Possono Fare i Progettisti Per Ridurre le Probabilità di Corto Circuiti?

Mentre i cortocircuiti sono spesso un difetto della produzione di PCB, i progettisti di elettronica possono fare la loro parte per ridurre le probabilità che questi si verifichino. A seconda della rigidità dei vincoli di progettazione rispetto al fattore di forma o al budget, è buona norma optare per uno spazio maggiore tra connessioni in rame e cuscinetti.

Sebbene non vi siano studi che colleghino i cortocircuiti con la distanza di sicurezza tra le tracce di rame, dall'esperienza ho appreso che è più probabile che si verifichino nei circuiti stampati complicati e compatti. Per ridurre al minimo questo problema, ho evitato di spingere al limite le capacità produttive dei miei fornitori e, quando possibile, cerco di massimizzare le tolleranze di spazio nei miei progetti.

Ad esempio, se un fornitore specifica che è in grado di gestire una larghezza e uno spazio di traccia di 5 mil, imposterò il limite di spazio del mio progetto a 6 mil. Quando ho a che fare con nuovi fornitori, questa è una pratica che utilizzo sempre. 

Come ingegneri, è sempre prudente testare i limiti dei produttori su scala ridotta, invece di rischiare l'intero lotto di produzione.

Il software di progettazione PCB di alta qualità consente di impostare regole di spazio personalizzate in modo da poter controllare i progetti prima di finalizzare i file per la produzione. La Clearance Matrix di CircuitStudio è uno strumento di progettazione che mi ha aiutato a tenere separate le mie connessioni in rame.