Le 5 migliori linee guida per la progettazione di circuiti stampati per gli ingegneri

Quando si inizia un nuovo progetto è facile non pensare troppo alle linee guida e concentrarsi principalmente sulla parte di progettazione del circuito e della scelta dei componenti. Ma questo approccio può produrre un progetto che incontra problemi quando poi viene trasformato, dal produttore, da qualcosa che esiste solo sulla carta ad un circuito fisico vero e proprio. Per cui qual è la soluzione per progettare una scheda che funziona sia sulla carta che nella sua forma fisica? Andiamo ad esaminare le 5 migliori linee guida per il progetto di PCB per andare a disegnare circuiti stampati che siano funzionali, affidabili e facili da mettere in produzione.

#1 - Disporre con precisione i componenti

La fase della disposizione dei componenti nel processo di creazione del layout del PCB è, al tempo stesso, sia un’arte che una scienza e richiede una particolare attenzione allo spazio fisico presente sulla scheda. Anche se questo processo può essere difficile, il modo in cui posizionate i componenti elettronici determina quanto poi sarà facile o difficile produrre la scheda e quanto sarà in grado di rispettare le specifiche di progetto.

Anche se esistono linee guida generali per la disposizione dei componenti relative all’ordine dei connettori, tipi di circuito stampato, circuiti di alimentazione, circuiti di precisione, circuiti critici, etc...esistono anche linee guida più specifiche che abbiamo riportato di seguito.

• Orientamento. Orientate componenti simili nella stessa direzione, dato che questo garantisce un processo di saldatura più efficiente e a prova di errori.
• Disposizione. Non posizionate componenti, sul lato della scheda della saldatura, dietro i componenti con foro passante.
• Organizzazione. Viene consigliato di posizionare tutti i componenti a montaggio superficiale (SMT) sullo stesso lato della scheda e tutti i componenti con foro passante sul lato superiore per minimizzare il numero di passi di assemblaggio necessari.

L’ultima delle linee guida da considerare per la progettazione di circuiti stampati è che quando si utilizzano componenti a tecnologia mista (montaggio superficiale e foro passante) i fabbricanti necessitano di un passo di assemblaggio supplementare, il che fa lievitare il costo finale.

Un buon orientamento dei componenti (sinistra) e un cattivo orientamento dei componenti (destra)

Una buona disposizione dei componenti (sinistra) e una cattiva disposizione dei componenti (destra)

 

#2 - Posizionare le tracce per il segnale, l’alimentazione e la massa

Dopo aver posizionato i vari componenti è il momento di affrontare il problema di come posizionare le tracce per il segnale, l’alimentazione e la massa in modo che tutti i segnali possano viaggiare in modo pulito e senza interferenze. Ecco alcune linee guida da tenere presente per questa fase del processo di layout. 

Orientamento dei piani di alimentazione e di massa

Si consiglia sempre di mantenere i piani di alimentazione e di massa all’interno della scheda ed entrambi simmetrici e centrati. Questo impedisce alla scheda di piegarsi, cosa che va a modificare anche il corretto posizionamento dei componenti. Per alimentare il circuito è consigliato l’utilizzo di morsetti di alimentazione comuni, tracce solide e larghe a sufficienza e di evitare linee di alimentazione collegate a catena.

Collegare le tracce dei segnali

Fatto questo occorre collegare le tracce dei segnali per rispettare le linee guida dello schema. Si consiglia sempre di creare tracce che siano le più brevi e le più dirette possibili tra due componenti. Se la disposizione dei componenti impone un tracciamento orizzontale su un lato della scheda allora posizionate sempre le tracce verticalmente sull’altro lato.

Definire la larghezza delle reti

Probabilmente il vostro progetto richiederà reti differenti che trasportano un'ampia gamma di correnti, il che determina la larghezza della rete richiesta. Si consiglia di fornire una larghezza pari a 0,010” per segnali analogici e digitali a bassa corrente. Se le tracce trasportano oltre 0,3 Ampere devono essere più ampie. Abbiamo riportato un calcolatore della larghezza delle tracce gratuito che può semplificare questo processo.

Instradamento consigliato (le frecce indicano la migrazione elettrochimica)

Instradamento non consigliato (le frecce indicano la migrazione elettrochimica)

 

#3 - Mantenere le cose separate

Probabilmente avete esperienza di come le alte tensioni nei circuiti di alimentazione e i picchi di corrente possono interferire con i circuiti di controllo a bassa tensione e corrente.  Per minimizzare le interferenze occorre seguire le linee guida per realizzare circuiti stampati riportate qui di seguito.

• Separazione. Mantenete i piani di alimentazione e controllo separati per ogni fase di alimentazione. Se dovete necessariamente legarli insieme fatelo solo verso la fine del percorso di alimentazione.
• Disposizione. Se avete posizionato il piano di massa nello strato intermedio posizionate anche un percorso a bassa impedenza per ridurre il rischio di interferenze e proteggere i segnali di controllo. Le stesse linee guida possono essere seguite per mantenere separati i piani analogici e digitali.
• Accoppiamento. Per ridurre l’accoppiamento capacitivo causato dalla disposizione di grandi piani di massa e delle tracce al di sopra e al di sotto di essi, cercate di fare in modo che il piano analogico sia attraversato solo da tracce analogiche.

 

Esempio della separazione dei componenti (Digitali e Analogici)

 

#4 - Affrontare i problemi di surriscaldamento

A causa del surriscaldamento le prestazioni del circuito possono ridursi o il circuito stesso può persino riportare dei danni. Questo problema si verifica quando non si presta la giusta attenzione alla dissipazione del calore. Ecco le linee guida per il progetto di PCB da seguire per risolvere il problema del calore.

Identificare i componenti che causano problemi

Il primo passo è quello di indentificare quali sono i componenti che dissipano la maggior parte del calore sulla scheda. Ciò può essere ottenuto andando a trovare il valore della “Resistenza termica” nella scheda tecnica dei componenti e poi rispettando le linee guida consigliate su come eliminare il calore che viene prodotto. Possono essere aggiunte ventole per il raffreddamento e dissipatori fisici per ridurre la temperatura dei componenti ed occorre posizionare i componenti critici a debita distanza dalle fonti di calore.

Aggiungere pad termici

Aggiungere pad termici è estremamente efficace per realizzare circuiti stampatifacili da produrre ed essi svolgono un ruolo fondamentale per le applicazioni di saldatura ad onda su prodotti ad elevato contenuto di rame o schede multistrato. Dato che può essere difficile mantenere le temperature corrette si consiglia sempre di utilizzare i pad termici sui componenti through-hole per semplificare al massimo il processo di saldatura e per ridurre il taso di penetrazione del calore all’interno dei piani del componente.

Come linea guida generale usate un pad termico ogni volte che una traccia o un foro è connesso al piano di massa o di alimentazione. Oltre ai pad termici è possibile anche utilizzare le cosiddette “teardrops” dove le varie tracce si uniscono per fornire ulteriore supporto allo strato di metallo o rame. In questo modo si riduce sia lo stress meccanico che termico.

 

Layout tipico di un pad termico

 

#5 - Controllare il lavoro effettuato

Quando si arriva alla fase finale del progetto è facile perdere parte del controllo mentre si è sotto pressione per consegnare un qualcosa che possa essere realizzato dal produttore. Ma trovare il tempo per ricontrollare il lavoro fatto una seconda e una terza volta può fare tutta la differenza fra il successo e il fallimento della fase di produzione.

Per aiutarvi con il processo di controllo si consiglia di iniziare sempre con il controllo delle regole elettriche (ERC) e delle regole di progetto (DRC) per verificare che tutti i requisiti siano stati rispettati. Utilizzando questi due sistemi potete affrontare tranquillamente tutte le problematiche relative alla larghezza delle tracce e degli spazi vuoti, al processo di fabbricazione, ai requisiti di velocità particolarmente elevate e ai circuiti.

Anche se i vostri controlli hanno prodotto un risultato senza errori è comunque una buona idea ricontrollare l’instradamento di ogni segnale e verificare che non ci siano problematiche nascoste testando una traccia alla volta. Inoltre va verificato che il layout del PCB corrisponda a quello dello schema utilizzando le funzionalità di progettazione e verifica fornite dal tool di progettazione.

 

Ricontrollate il progetto, il PCB e i vincoli da rispettare

 

In conclusione

In questo articolo abbiamo analizzato le 5 più importanti linee guida per disegnare circuiti stampati che ogni progettista deve rispettare. Se le seguirete fedelmente vi troverete a progettare schede funzionali e facili da produrre in pochissimo tempo e circuiti stampati di qualità superiore.

Rispettare le best practice e le regole di progetto è fondamentale per il successo nella progettazione di circuiti stampati e per migliorare costantemente. 

Volete sapere di più su come fare per disegnare una scheda che può essere prodotta con successo già al primo tentativo? Potete fare riferimento al nostro seminario online Massimizzare la produzione di PCB o rispettare le linee guida per il progetto di PCB utilizzando il nostro software all’avanguardia.  

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