Come Sbrogliare un Circuito Stampato

Zachariah Peterson
|  Creato: August 9, 2021  |  Aggiornato: October 21, 2021
Routing PCB

Il routing delle tracce e dei fori di via su un progetto PCB è spesso considerato un compito di facile esecuzione. Dopo aver importato la scheda e posizionato i componenti, il collegamento in rame delle parti potrebbe sembrare un compito di facile esecuzione. Questo era forse vero ai tempi dello sbroglio di componenti DIP TTL a bassa velocità su schede semplici, ma i requisiti di progettazione odierni sono molto più complessi. Le tracce PCB possono avere requisiti di progettazione estremamente specifici che hanno lo scopo di garantire l'integrità del segnale durante il routing.

Nonostante questo, le funzionalità di routing PCB di ultima generazione possono aiutare i progettisti a impostare e rispettare le regole di progettazione per le tracce. Le tecniche di routing da utilizzare per la scheda dipendono dallo standard di segnale con cui si sta lavorando e dalla topologia di routing richiesta. Se è la prima volta che progetti un PCB e sei pronto per la fase di routing, non preoccuparti: ti mostreremo come sbrogliare un PCB e determinare i requisiti di routing necessari per il tuo progetto.

Impostare il Routing PCB

I componenti sul layer superficiale o sui layer interni di tutti i PCB sono collegati con tracce in rame. È difficile stabilire cosa costituisce esattamente un dispositivo "semplice." Questo dipende infatti da vari fattori, che determinano anche il progetto di traccia appropriato per il PCB. Alcuni dei più importanti requisiti di routing che è possibile trovare negli standard di segnale a bassa e alta velocità includono:

  • Capacità di carico di corrente delle tracce: le schede a corrente elevata possono richiedere tracce di grandi dimensioni o persino poligoni
  • Larghezza della traccia: garantisce la producibilità della scheda e influenza la diafonia
  • Eventuali segnali d’impedenza controllata: richiedono una larghezza specifica che deve essere impostata in base allo stack-up PCB
  • Topologia di routing: determina il modo in cui le tracce si collegano a più componenti
  • Perdite totali lungo una traccia: determinano la lunghezza massima consentita della traccia
  • Skew massimo consentito nelle coppie differenziali e nei bus paralleli: protocolli con clock sincrono alla sorgente (SPI o I2C) e bus paralleli hanno tutti uno skew massimo consentito

Il compito dei progettisti è quello di trovare un equilibrio tra questi parametri e determinare quali di questi punti siano più importanti per le diverse connessioni. Ad esempio, i progetti ad alta velocità si basano su un'impedenza controllata con coppie differenziali, mentre i progetti CC ad alta corrente devono avere tracce ampie ma non necessariamente un'impedenza specifica.

Per iniziare, diamo un'occhiata ad alcuni dei requisiti di routing per le schede più basilari prima di passare a progetti più avanzati.

Routing Semplice della Traccia PCB

Se il progetto non funziona ad alta velocità, non è abbastanza denso da creare problemi di diafonia e le tracce trasportano una bassa corrente, allora si è generalmente liberi di scegliere una larghezza della traccia che si adatti facilmente ai pin e ai piedini dei componenti. In questi progetti, possono essere utilizzate larghezze di traccia che vanno da 5 a 15 mil. Queste dimensioni garantiscono tracce sufficientemente sottili da essere sbrogliate direttamente nei pad per la maggior parte dei componenti. Di seguito è mostrato l’esempio di un amplificatore operazionale, in cui le tracce vengono sbrogliate tra un circuito integrato a bassa velocità, alcuni resistori e condensatori.

Come sbrogliare un PCB

I progetti più semplici come questo non prendono generalmente in considerazione l'impedenza, le topologie di routing o la corrente elevata. Tuttavia, al giorno d’oggi, è raro trovare progetti così semplici da non richiedere un livello minimo di progettazione della traccia o l'implementazione di regole di routing.

Regole di Routing per PCB Moderni

Le schede odierne, anche quelle che utilizzano un semplice MCU e stadi a bassa potenza, richiedono un certo livello di progettazione della traccia e l'implementazione di regole di routing per garantire l'integrità del segnale. È quindi necessario saper determinare la geometria di traccia per garantire l'affidabilità e l'integrità del segnale.

  1. Determinare i requisiti per una determinata traccia: il routing dei circuiti d'alimentazione di un PCB può trasportare corrente elevata.
  2. Se la corrente è molto bassa (inferiore a 1 A), è possibile determinare se è necessario o meno il controllo dell'impedenza consultando le schede tecniche dei componenti o lo standard di segnale.
  3. Se è richiesto il controllo dell’impedenza, si dovrà procedere nel calcolare la larghezza della traccia necessaria per raggiungere l'obiettivo d’impedenza. Si dovrà inoltre calcolarne la spaziatura e valutare se sono necessarie coppie differenziali.

Per controllare l'impedenza è possibile implementare una topologia di routing con coppie single-ended o differenziali. Per determinare i requisiti di routing, è importante verificare gli standard di segnale, che includeranno elementi come il budget di perdita (determina la lunghezza totale della traccia), i requisiti d'impedenza e la differenza di lunghezza massima consentita nelle coppie differenziali o nei bus paralleli.

Una volta determinati i requisiti di routing nella scheda, è possibile impostare regole di progettazione per connessioni specifiche. Questo include l'impostazione delle larghezze di traccia minime o massime nelle regole di progettazione. Gli strumenti di routing utilizzeranno queste specifiche per impostare la larghezza di traccia già durante il processo di routing.

Impedenza e Topologia di Routing

Per controllare l'impedenza nel layout PCB è necessario determinare l'impedenza utilizzando uno dei diversi metodi a disposizione. È possibile utilizzare formule, oppure applicazioni più specializzate. L'impedenza delle coppie single-ended e differenziali comporta una geometria definita fondamentale per garantire il raggiungimento degli obiettivi d’impedenza.

Il modo più veloce per determinare l'impedenza è quello di utilizzare un software di progettazione PCB con uno strumento di calcolo integrato. Non tutti i programmi di progettazione PCB includono questo tipo di utilità, e quelli che lo fanno spesso producono risultati con livelli variabili di precisione. I migliori software di progettazione PCB includono un risolutore di campi elettromagnetici capace di calcolare automaticamente la geometria della traccia richiesta. Questi strumenti prendono la costante dielettrica e le informazioni sulla rugosità del rame nel PCB e le usano per calcolare la larghezza della traccia e la spaziatura delle coppie differenziali per raggiungere l'impedenza desiderata.

Calcolo dell’impedenza PCB
Il Layer Stack Manager di Altium Designer include un risolutore di campi elettromagnetici Simberian capace di fornire calcoli d'impedenza estremamente accurati alle frequenze desiderate.

Le topologie di routing delle tracce definiscono il modo in cui queste vengono sbrogliate tra gli input e gli output dei componenti, nonché la loro ramificazione per raggiungere più componenti. Ad esempio, il routing DDR utilizza una topologia fly-by, in cui un singolo bus si dirama per raggiungere più componenti all’interno del progetto. In un altro esempio, SPI utilizza una topologia di bus simile, ma con la terminazione applicata ai punti di carico sul bus. Altri componenti potrebbero utilizzare la topologia punto-punto per raggiungere più componenti, una soluzione comune quando un singolo componente comunica con più carichi su un'unica interfaccia IO. È importante individuare la topologia di routing necessaria per i propri standard di segnale, così come capire se le tracce necessitino o meno del controllo dell'impedenza.

Sbrogliare le Tracce in un PCB

Le tracce nel layout PCB vengono sbrogliate puntando e cliccando su vari punti della scheda. Lungo il percorso, le tracce di rame verranno fissate nel punto desiderato, estendendosi eventualmente lungo il layout fino alla posizione richiesta. Gli strumenti di routing dell'editor PCB possono creare angoli (normalmente di 45 °) automaticamente, già durante lo sbroglio delle tracce nel layout, e possono posizionare i fori di via durante lo spostamento delle tracce tra i componenti.

Prima d’iniziare con il routing, è importante sviluppare una strategia di routing che non comporti un uso eccessivo di fori di via o di layer aggiuntivi. La strategia di routing dipende dal layout PCB; è infatti difficile sbrogliare le tracce senza effettuare eccessive transizioni di livello se sono molte le connessioni che si incrociano sul PCB. A volte, è bene iniziare dai percorsi più semplici, in modo da capire quali percorsi richiedano più tempo e sforzi per essere sbrogliati con successo.

Routing PCB e fori di via
Alcuni percorsi possono essere molto complessi, come l'uscita da questo BGA. Questo percorso passa attraverso due fori di via, terminando sul layer superficiale.

Alcune importanti linee guida per il routing PCB includono:

  • Le tracce a impedenza controllata per una data interfaccia o protocollo di segnale andrebbero mantenute sullo stesso layer
  • Le transizioni con foro di via andrebbero minimizzate su protocolli ad alta velocità e tracce RF
  • Non si dovrebbe sbrogliare su piani separati. È inoltre opportuno tener traccia del percorso di ritorno nel proprio PCB, possibilmente utilizzando regioni di massa uniformi
  • Le tracce vanno mantenute brevi e dirette, eliminando lunghezze superflue.
  • Per il routing ad alta corrente, bisognerebbe utilizzare i poligoni per costruire conduttori più grandi e di qualsiasi forma

L'integrità del segnale è un ambito strettamente correlato alla progettazione e al routing dello stackup PCB. La disposizione dei layer piano/massa/potenza rispetto ai layer di segnale e al routing è un fattore determinante per l’integrità del segnale. Eseguire il routing su sezioni continue GND è il modo migliore per garantire che il progetto mantenga l'integrità del segnale e sia immune alle interferenze elettromagnetiche (diafonia, rumore RF esterno, rumore di alimentazione, ecc.). Queste semplici linee guida e le regole di routing mostrate qui sopra aiuteranno a prevenire o ridurre molti problemi d’integrità del segnale, contribuendo nel garantire la funzionalità della scheda.

Gli strumenti di routing più avanzati, capaci di aiutare nell’applicazione delle linee guida di routing PCB, sono interattivi. In altre parole, sono strumenti semiautomatici che consentono la definizione di percorsi per un gruppo di segnali, mentre gli strumenti di routing posizionano le tracce rispettando automaticamente le regole di progettazione. In questo tipo di routing, le regole di progettazione per le connessioni e i gruppi di connessioni vengono verificate automaticamente già durante la creazione del layout PCB. Molti programmi di progettazione freeware e open source costringono a eseguire tutto questo manualmente. I programmi di progettazione PCB avanzati come Altium Designer possono invece aiutare ad ottimizzare la produttività durante le fasi di layout e routing della scheda.

linee guida per il routing PCB
Le funzionalità di routing interattivo di Altium Designer forniscono un routing PCB semiautomatico intelligente che obbedisce alle regole di progettazione e ai requisiti standard per il routing.

Il routing PCB è molto più semplice quando si utilizza il pacchetto completo di strumenti di layout PCB di Altium Designer®. Il motore delle regole di progettazione integrato di Altium Designer controlla automaticamente il routing già durante l'inserimento delle tracce, consentendo d’individuare e correggere eventuali errori prima del completamento della scheda. Ciascun utente di Altium Designer ha inoltre accesso a uno spazio di lavoro dedicato su Altium 365 dove i progetti, i dati dei componenti, i dati di produzione e qualsiasi altra documentazione di progetto possono essere archiviati e condivisi con i collaboratori.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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