Progettazione PCB per la produzione: linee guida per principianti

I professionisti della progettazione parlano molto di linee guida di progettazione per la produzione, ma cosa sono esattamente e come vengono implementate nel software di progettazione PCB? Nello sviluppo di PCB, la progettazione per la produzione ha un significato molto semplice: occorre implementare le scelte di progettazione solo se si può garantire che siano producibili con la massima resa. Questa spiegazione apparentemente semplice tralascia molti aspetti, ed è naturale pensare che il produttore sia in grado di produrre qualsiasi cosa tu inserisca in un layout PCB nel tuo software di progettazione.

La verità è che le diverse aziende di produzione offrono diverse capacità, opzioni di materiali e opzioni di servizio standard no-touch. Ci sono alcuni errori o sviste molto comuni che rendono una scheda impossibile da produrre e potrebbero creare la necessità di ampie riprogettazioni. In questo articolo esaminerò alcuni degli errori più comuni che potrebbero essere commessi da progettisti principianti ed esperti. Ho commesso anch'io questi errori e posso assicurare che è sempre possibile rimediare e garantire la produzione della scheda.

Progettazione PCB per la produzione: qualche consiglio di base

I punti che illustrerò di seguito riguardano quasi esclusivamente due aree importanti:

• Considerazioni sui materiali, in particolare materiali di base/laminati e peso del rame
• Limiti di fabbricazione, in particolare dimensioni e spaziatura all'interno di un layout PCB

Con queste premesse, iniziamo a esaminare alcune delle linee guida fondamentali di progettazione PCB per la produzione, necessarie per garantire il successo della progettazione.

Per prima cosa, crea un layer stack-up

Sarai sorpreso dalla facilità con cui potrai lanciarti nel tuo nuovo progetto e iniziare a posizionare i componenti sulla scheda. Per le schede più semplici che non richiedono un'impedenza controllata, una capacità di bus specifica o un instradamento digitale denso, è possibile iniziare il posizionamento su una scheda con numero di layer pari con spessore standard. A seconda della progettazione, il PCB prodotto potrebbe non creare la funzionalità prevista.

Con la maggior parte delle progettazioni, anche per le schede a microcontrollore destinate a un uso ricreativo, dovrai conoscere almeno la disposizione dei layer e le proprietà del materiale. Invia un'email alla tua azienda di fabbricazione e richiedi un layer stack standard prima di iniziare a progettare tracce per i bus digitali o per qualsiasi altra traccia a impedenza controllata. In caso contrario, l'azienda di fabbricazione potrebbe fabbricare la tua scheda utilizzando un layer stack che non produce le funzioni che ti aspettavi. L'altro rischio è quello di creare un layer stack che l'azienda non sarà in grado di produrre, di solito perché non ha a disposizione i materiali corrispondenti al tuo stackup.

Abbina il peso del rame alla densità di corrente e ai laminati

Al momento di scegliere i materiali o di far approvare uno stack-up, non sorprenderti se il tuo produttore ha delle riserve sul peso del rame. Devi utilizzare i pesi di rame disponibili nel set di materiali del tuo produttore, non puoi semplicemente specificare quello che desideri. Se hai impiegato del tempo per stimare il peso del rame e la larghezza della traccia di cui hai bisogno per una particolare densità di corrente (come nel caso dei binari di alimentazione), dovrai assicurarti di specificare il peso richiesto al momento della convalida dello stack-up con il tuo produttore.

Rispetta le distanze rame-rame

Quando inizi un nuovo layout PCB, il software ECAD applica una serie di regole di distanziamento predefinite che rappresentano valori prudenti per quasi tutti i PCB. Questi valori sono in genere eccessivamente prudenti, pertanto è una scelta comune ignorarli senza programmare in anticipo i valori di distanziamento corretti. Peggio ancora, potresti inserire valori troppo piccoli, finendo per posizionare gli elementi troppo vicini tra loro, tanto da non poter più fabbricare la scheda.

La soluzione: informati sui limiti del produttore prima di iniziare il posizionamento e imposta questi valori come regole di progettazione nella tua progettazione PCB. Per assicurarti di seguire le regole di distanziamento più comuni senza violazioni, considera il seguente distanziamento:

• Traccia-traccia
• Traccia/pad-poligono
• Traccia-pad 
• Pad-pad

Gli ultimi due punti si applicheranno ai pad SMD e ai pad di destinazione per fori passanti (vias o cavi dei componenti). Considera che questi valori saranno maggiori per il rame più pesante a causa della necessità di compensare le incisioni.

Fori sovrapposti

Se hai seguito le precedenti linee guida sul distanziamento e hai impostato i valori di distanza minima tra i pad, allora potresti aver già affrontato queste linea guida di progettazione per la produzione. Se i fori sono troppo ravvicinati, è possibile che si sovrappongano l'uno all'altro a causa del movimento di un trapano CNC. Ogni foro sarà leggermente decentrato rispetto alla sua posizione ideale, cosa che deve essere tenuta in considerazione quando si posizionano vias e cavi passanti.

Considera che, anche se rispetti le distanze da pad a pad per i via e i cavi passanti, ciò potrebbe non garantirti di aver rispettato la distanza tra i fori. Supponiamo di posizionare una via da 10 mil con un pad da 12 mil; se il tuo limite di spaziatura da pad a pad è di soli 5 mil, ma la tua spaziatura da foro a foro è di 10 mil, violerai il limite di spaziatura tra i fori di 3 mil, se rispetti solo la regola di spaziatura tra i pad.

Un problema simile può verificarsi tra i fori che passano attraverso un piano, come ad esempio la distanza tra il dissipatore di calore e il piano di massa sottostante mostrata di seguito. Le due aree verdi mostrano la distanza tra la parete del via e un piano per questi collegamenti; il frammento avanzato qui è molto piccolo e non sarà producibile. Questo esempio è un caso particolare in cui un tale difetto di fabbricazione non causerà il malfunzionamento del dispositivo, ma non è sempre così. Se un tale difetto si trovasse sul layer superficiale tra due fori passanti, si rischierebbe di creare un ponte durante la saldatura poiché il piccolo elemento di rame verrebbe probabilmente inciso durante la fabbricazione.

La soluzione naturale in questo caso è quella di utilizzare un pad più grande, che è esattamente quello che faresti per soddisfare i requisiti di base della classe IPC: utilizza un pad di dimensioni minime pari a (diametro del trapano) + 8 mil per assicurarti di soddisfare il limite di distanza tra i fori nella maggior parte dei casi.

Dimensioni degli elementi piccoli

Quando si inizia a posizionare componenti e binari su una scheda, si è sempre tentati di ridurre inutilmente le dimensioni di binari, fori e pad. Le regole di distanziamento limitano già la distanza tra i vari elementi, ma un requisito di progettazione altrettanto importante sono le dimensioni minime degli elementi. I due punti principali che dovrai affrontare sono dimensioni minime del foro e larghezze della traccia. Questo punto è semplice come cercare le dimensioni delle caratteristiche del produttore e programmarle nelle regole di progettazione. I limiti di fabbricazione comuni applicati alla maggior parte delle schede sono 4 mm per la larghezza della traccia e 6 mm per la larghezza del foro di foratura. Per molte schede più semplici che non richiedono impedenza controllata, è meglio utilizzare una larghezza di traccia di 8-10 mil e un diametro del trapano di 10 mil.

Strisce di maschera di saldatura

Si tratta di un aspetto dell'assemblaggio spesso trascurato, il cui scopo è garantire che le aperture della maschera di saldatura svolgano efficacemente il loro ruolo di barriera tra due componenti vicini durante la saldatura. Anche se si rispetta la distanza tra i pad, l'apertura eccessiva della maschera di saldatura su un pad NSMD rischia di creare un canale molto sottile di maschera di saldatura tra i pad.

Un requisito minimo comune per la striscia di maschera di saldatura è di 5 mil. Quando la striscia della maschera di saldatura è al di sotto del limite del produttore, c'è il rischio che si stacchi dopo l'indurimento e quindi crei un canale in cui due pad vengono collegati con la saldatura. La soluzione consiste nell'aumentare la spaziatura o ridurre l'apertura della maschera di saldatura sul pad interessato per mantenere una striscia sufficientemente ampia.

Sovrapposizione della serigrafia

Una volta terminati il posizionamento e l'instradamento, occorre ispezionare la serigrafia per verificare che non ci siano sovrapposizioni tra i designatori di riferimento. Se ce ne sono, puoi spostare i designatori nel layout del PCB fino a quando tutto è in ordine. Anche se tecnicamente non è un requisito per il successo della fabbricazione o dell'assemblaggio, un produttore diligente lo segnalerà comunque come un problema durante la revisione del progetto.

Un problema più importante è la sovrapposizione della serigrafia con i pad/fori dove verrà applicata la saldatura. Assicurati di controllare questo punto, utilizzando un visualizzatore di modelli 3D o guardando direttamente i tuoi file Gerber.

L'elenco di linee guida riportato sopra dovrebbe risolvere i problemi DFM più comuni che possono presentarsi in quasi tutte le progettazioni. Quando implementerai le linee guida nei tuoi progetti, queste diventeranno parte del normale processo di progettazione. Una volta programmati questi punti nelle regole di progettazione, puoi controllarli in qualsiasi momento come parte di una revisione del progetto, prima di inviare la tua carta alla produzione.

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