Consigli pratici per realizzare circuiti stampati per una scheda non instradabile

Sono cresciuto nell’era precedente all’introduzione della PlayStation. Allora, le consolle generiche regnavano accanto alle loro controparti premium come Super Nintendo e Sega. Ho scoperto la mia cocciutaggine giocando a Super Mario, un gioco in cui un personaggio divertente inizia a scagliare palle di fuoco dopo essersi cibato di funghi dai mille poteri. Ho perso il conto delle volte in cui ho ripetuto l’intero gioco anche se sono sempre stato sconfitto all’ultimo livello. Poiché all’epoca non esistevano né “salva” né “continua”, ho trascorso ore e ore cercando di avere la meglio sul coccodrillo cattivo.

Fortunatamente, ero un po’ più bravo a risolvere i problemi di instradamento del mio PCB dovuti ai vincoli in termini di dimensioni. Quando sei all’inizio della tua carriera come ingegnere hardware, puoi pensare che realizzare circuiti stampati sia un processo divertente che consiste nel disporre dei componenti e nel collegare le connessioni. Questa idea sbagliata scomparirà non appena vi troverete a lottare con una progettazione apparentemente semplice per diversi giorni. Se vi doveste trovare a fissare una scheda che non riuscite a instradare, provate a usare questi consigli per la progettazione di PCB per lanciare la vostra strategia di instradamento:

1. Usare componenti più piccoli
2. Ruotare i componenti
3. Ridisporre i componenti
4. Usare tracce, vie e distanze più piccole per evitare di avere una scheda non instradabile
5. Usare un PCB multistrato

Cosa rende un PCB non instradabile?

Se lavorate nel settore da un po’ di tempo, sapete che alcune progettazioni possono essere difficili o impossibili da instradare per una serie di motivi. Se avete appena iniziato a realizzare circuiti stampati, vi troverete prima o poi ad affrontare una situazione complessa in cui avrete difficoltà a disporre e instradare la scheda.

Esistono varie ragioni per cui una scheda non è instradabile, molte delle quali sono connesse a scelte di layout che sono state prese subito dopo l’acquisizione dello schematico. Una strategia di pianificazione del piano sbagliata, componenti scelti in maniera inappropriata, un numero insufficiente di strati o la sequenza di strati erronea e tracce delle dimensioni sbagliate sono tutti motivi che rendono una scheda non instradabile. In alcuni casi, potreste provare a inserire troppe cose in uno spazio troppo piccolo, e non avrete altra scelta che aumentare la dimensione della scheda. Tuttavia, prima di decidere di aumentare le dimensioni della scheda e disporre i vostri componenti, provate ad applicare alcuni di questi consigli sul layout di PCB e a vedere se l’instradamento diventa di nuovo facile.

Consigli per realizzare circuiti stampati per una scheda non instradabile

1. Usare componenti più piccoli

Se state ancora usando componenti con fori passanti, avrete sicuramente dei buoni motivi per farlo. Questo tipo di componenti occupa aree più grandi rispetto ai componenti montati a superficie. Detto ciò, i componenti montati a superficie sono disponibili in vari fattori di forma e optare per un fattore di forma più piccolo può aiutare a lasciare libero il passaggio per le tracce di rame.

A volte, scegliere componenti ball grid array (BGA) al posto dei componenti quad flat package (QFP) può aumentare l’area disponibile sulla scheda, evitando di ritrovarsi con una superficie non instradabile. Ovviamente, l’uso di fattori di forma più piccoli può rendere più complessa la riparazione manuale, poiché serve un livello di precisione e competenza tecnica maggiore.

_{Dimensioni ridotte dei componenti possono aiutarvi a realizzare circuiti stampati più facilmente .}

2. Ruotare i componenti

Potreste domandarvi perché la rotazione dei componenti dovrebbe aiutarvi a correggere un layout non instradabile. Pensate al tipo di scheda mostrato qui sotto. Qui, i due IC sono rivolti uno di fronte all’altro, rendendo molto semplice instradare le tracce direttamente tra i due chip sullo strato superficiale. Se l’IC sinistro fosse ruotato di 90°, le tracce dovrebbe essere spostate verso l’esterno dell’IC per effettuare i collegamenti richiesti. Se fosse presente uno spazio sufficiente sullo strato superficiale, questo non rappresenterebbe un problema, sebbene potrebbe rendere difficile il posizionamento di strutture della stessa lunghezza. Se lo strato superficiale è ristretto, potreste trovarvi in una situazione che non consente l’instradamento.

_{La semplice rotazione di un IC con un numero elevato di pin può allineare i pin e semplificare notevolmente le attività di instradamento per realizzare circuiti stampati.}

3. Ridisporre i componenti

Questa operazione va un po’ oltre la semplice rotazione dei componenti. Si tratta, in sostanza, di creare il piano giusto per la scheda prima di iniziare a instradare le tracce. A volte il semplice buonsenso può aiutare ad assicurarsi che i componenti siano ben organizzati e che lo spazio non venga sprecato, evitando così di ritrovarsi con una scheda non instradabile. Provate a prestare attenzione ai punti seguenti:

• Posizionate i componenti a cascata uno accanto all’altro e in sequenza. In questo modo si eliminano instradamenti inutili all’interno della scheda.
• Consolidate i componenti laddove possibile. Per esempio, invece di usare molteplici resistori di piccole dimensioni in parallelo o in serie, usate un unico resistore che offra la resistenza desiderata.
• Raggruppate i componenti in blocchi funzionali e posizionate i blocchi che interagiscono tra loro uno accanto all’altro. Ciò riduce lo spazio tra i gruppi di componenti che devono comunicare l’uno con l’altro.
• I componenti che devono collegarsi a un connettore bordo devono essere posizionati il più vicino possibile al connettore. Gli altri componenti nella catena del segnale devono essere posizionati a cascata come descritto sopra.

Avete probabilmente letto abbastanza su come i componenti analogici e digitali devono essere separati tra loro in sezioni diverse di una scheda a segnale misto. Gli ADC devono stare a cavallo della linea di divisione tra questi due gruppi di componenti per impedire interferenze del segnale misto. In questo tipo di layout, posizionate i componenti che devono collegare gli ADC il più vicino possibile e disponete a cascata gli altri componenti lontano da questa parte della scheda.

_{La rotazione dei componenti e l’allineamento dei pin permette di avere maggior spazio, per evitare di ritrovarsi con una scheda non instradabile.}

4. Usare tracce, vie e distanze più piccole per evitare di avere una scheda non instradabile

Molte progettazioni di schede stampate del passato non potevano essere prodotte, ma molti dei vecchi vincoli della produzione sono stati superati. I designer possono optare per vie, tracce e distanze più piccole quando pianificano un layout, raggiungendo il regime HDI in schede ad alta densità. Esistono delle limitazioni a questo, che limiteranno la vostra capacità di usare sempre tracce più piccole:

• Controllo dell’impedenza: quando le tracce nella vostra scheda si comportano come linee di trasmissione, come accade in caso di frequenze elevate e limiti di velocità, dovrete usare l’instradamento dell’impedenza controllato. Ciò restringe la larghezza della traccia che potete usare a valori specifici.
• Coppie differenziali: le coppie differenziali necessitano di distanze specifiche per assicurare che l’impedenza differenziale abbia un valore specifico.
• Progettazione a corrente elevata: le tracce che trasportano corrente elevata devono essere progettate con una larghezza specifica per limitare l’aumento della temperatura.
• Progettazione ad alta tensione: nelle schede a tensione elevata, le tracce e gli altri conduttori devono essere sufficientemente distanziati per evitare scariche elettrostatiche. Assicuratevi di controllare le distanze di isolamento in aria e superficiali tra i conduttori esposti.

5. Realizzare circuiti stampati usando un PCB multistrato 

Il costo è indubbiamente un fattore importante quando si tratta degli aspetti economici della progettazione di componenti elettronici. La maggior parte dei nuovi designer opta per progettazioni a uno o due strati in tutti i casi in cui non è necessario un PCB multistrato. Tuttavia, spostare i collegamenti di alimentazione e terra negli strati centrali di un PCB contribuisce notevolmente a liberare spazio sullo strato esterno. La presenza di un piano di alimentazione e terra di grandi dimensioni fornisce inoltre un’alimentazione stabile per i componenti del PCB.

_{La soluzione a una scheda non instradabile può essere l’utilizzo di un PCB multistrato.}

Le progettazioni moderne sono realizzate su, almeno, un PCB a quattro strati. Queste schede presentano un piano di alimentazione e un piano di terra interni, che lasciano gli strati superficiali liberi per i componenti. Con l’aumentare della densità delle tracce e dei componenti, dovrete accedere a molti più strati per disporre le tracce aggiuntive richieste per effettuare i collegamenti. Questi strati interni sono fondamentali per raggruppare più componenti su una scheda poiché liberano spazio sugli strati superficiali. Assicuratevi di seguire le best practice per la progettazione della sequenza nei PCB quando lavorate con schede multistrato.

Dovreste provare l’auto-instradamento dopo aver apportato queste modifiche?

I designer esperti che conosco sconsigliano di realizzare circuiti stampanti usando strumenti di instradamento automatico per una serie di motivi. Di solito, lavorano su progettazioni molto complesse caratterizzate da un gran numero di vincoli che, semplicemente, non possono essere tenuti in considerazione dai comuni strumenti di instradamento automatico. Altre volte, i risultati forniti da un tale strumento devono comunque essere modificati e il designer può realizzare un instradamento più efficace e che non violi le regole senza usare strumenti di instradamento automatico.

Se siete ancora alle prime armi con le strategie di instradamento dei PCB o avete semplicemente voglia di sperimentare, provare uno strumento di instradamento automatico non è una cattiva idea. Gli algoritmi fondamentali negli strumenti di instradamento automatico sono notevolmente migliorati nel tempo e sono abbastanza efficaci da realizzare instradamenti uniformi tra gli strati di una scheda multistrato.

L’altra opzione a vostra disposizione è l’instradamento auto-interattivo, una forma di instradamento automatico istruito. Con questo tipo di strumento, il designer offre istruzioni di livello elevato allo strumento selezionando punti specifici sulla scheda, e lo strumento riempie i vuoti instradando le tracce tra ogni punto. Ciò consente di instradare contemporaneamente un numero maggiore di tracce rispettando al tempo stesso i vincoli della progettazione. Dopo aver confermato che il vostro PCB è fisicamente instradabile, potete iniziare a realizzare manualmente alcuni collegamenti critici prima di consentire alla parte automatizzata dello strumento di completare il resto.

_{L’indirizzamento auto-interattivo direziona le tracce tra punti diversi, mentre lo strumento di instradamento riempie i vuoti tra ogni punto, consentendovi di realizzare circuiti stampati più velocemente.}

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