11 passaggi per progettare un circuito stampato

La progettazione di un circuito stampato è un processo ripetibile: si parte da un circuito definitivo, si passa attraverso la creazione dello schema e il layout, fino ad arrivare ai file di produzione necessari a una fabbrica. Seguire i passaggi nell'ordine corretto e non saltare la verifica finale è ciò che distingue una scheda che funziona al primo tentativo da una che presenta problemi. Questa guida illustra il processo. 11 passaggi per progettare un circuito stampato, suddiviso in quattro fasi, con i dettagli pratici e le abitudini di progettazione per la produzione che rendono il risultato effettivamente realizzabile.

Fase 1 — Definisci cosa stai costruendo (Passaggi 1-2)

Prima di aprire qualsiasi software, è necessario avere un'idea chiara e definita del circuito. Questa fase previene il tipo di rilavorazione più costoso: scoprire un problema di progettazione fondamentale dopo aver completato il layout.

Passaggio 1: Completare il circuito

Definisci il progetto elettrico completo, ogni blocco funzionale, i componenti, i requisiti di alimentazione e le modalità di interconnessione tra le parti. Laddove il comportamento sia incerto, verificalo prima su una breadboard o in un simulatore, in modo da non implementare un'idea non collaudata su rame. Quanto più chiaro è il concetto in questa fase, tanto più agevole sarà tutto il processo successivo.

Passaggio 2: scegli il tuo software di progettazione

Scegli uno strumento EDA adatto al tuo progetto e alla tua esperienza. I principianti spesso iniziano con EasyEDA o KiCad; i professionisti potrebbero utilizzare suite più complete. L'importante è avere uno strumento che ti accompagni dall'inizio alla fine della fase di progettazione, dai disegni schematici ai file di produzione, quindi verifica che sia in grado di esportare file Gerber standard, file di foratura, distinte base e file di posizionamento.

Fase 2 — Acquisizione del progetto (Fasi 3-4)

Ora si traduce il circuito nelle rappresentazioni formali utilizzate dal software: lo schema elettrico e le impronte che lo collegano ai componenti fisici.

Passaggio 3: Acquisire lo schema

Disegna il circuito nell'editor di schemi, posizionando i componenti e collegandoli con fili o etichette di rete. Disponilo in modo che sia logico e raggruppa i circuiti correlati; uno schema ordinato è molto più facile da debuggare e rivedere. Questo diagramma è la fonte di riferimento da cui viene generato il layout.

Passaggio 4: Assegnare e verificare le impronte

Ogni simbolo schematico necessita di un'impronta fisica, ovvero il pattern di pad su cui il componente viene effettivamente saldato. Assegnatene una a ciascuno e verificatela confrontandola con il datasheet del produttore, perché un'impronta errata è una delle cause più comuni di fallimento di una prima scheda. Controllate le dimensioni dei pad, la spaziatura, il cortile e la numerazione dei pin. Impronte corrette si rivelano utili anche in seguito durante Assemblaggio PCB, dove la non corrispondenza dei pattern dei pin causa difetti di posizionamento e saldatura.

Fase 3 — Preparazione della scacchiera (Passaggi 5-9)

Questo è il cuore della progettazione di PCB, dove lo schema elettrico si trasforma in una scheda fisica. È qui che risiede la maggior parte del giudizio ingegneristico.

Passaggio 5: Definire il contorno della tavola e la sua sovrapposizione

Imposta le dimensioni e la forma della scheda in modo che si adattino al suo contenitore, quindi decidi il numero di strati e la sovrapposizione. Il numero di strati dipende dalla complessità e dalla densità di routing e, per le schede con impedenza controllata, la sovrapposizione è una scelta di progettazione deliberata, un'area che si collega direttamente a produzione di PCB ad alta velocitàConferma che la configurazione desiderata sia realizzabile dal tuo fornitore.

Passaggio 6: Definire le regole di progettazione

Prima di posizionare o instradare i componenti, è necessario definire le regole: larghezza minima della traccia, distanza tra le tracce, dimensione dei via e anello anulare. Impostatele in modo che corrispondano alle reali capacità del vostro produttore, così che l'editor vi guidi fin da subito verso una scheda realizzabile. Le regole impostate in anticipo prevengono violazioni che altrimenti si accumulerebbero durante l'instradamento.

Passaggio 7: Posizionare i componenti

Disponete i componenti sulla scheda. Un buon posizionamento svolge gran parte del lavoro di un buon layout: raggruppate i componenti correlati, mantenete corti i segnali ad alta velocità e sensibili, posizionate i connettori e i fori di montaggio dove richiesto dal progetto meccanico e lasciate spazio per un instradamento pulito. Il tempo investito in questa fase verrà ampiamente ripagato durante il routing.

Passaggio 8: Instradare i collegamenti

Collega i componenti con piste di rame, dimensionando ciascuna pista in base alla corrente che trasporta e all'impedenza necessaria. Gestisci l'integrità del segnale mantenendo le piste critiche corte e assicurando loro percorsi di ritorno puliti. Il routing è un processo in cui un posizionamento accurato semplifica il lavoro o, se fatto di fretta, lo rende problematico.

Passaggio 9: Aggiungere colate di rame, piani e serigrafia

Aggiungere piani di massa e di alimentazione o zone di rame per fornire percorsi di ritorno a bassa impedenza e ridurre il rumore, quindi aggiungere la serigrafia, i designatori di riferimento, i segni di polarità e le etichette che rendono possibile l'assemblaggio e la manutenzione della scheda. Questi tocchi finali influenzano notevolmente sia le prestazioni che la producibilità.

Fase 4 — Verifica e rilascio (Fasi 10-11)

Il progetto sembra completo, ma non verrà rilasciato finché non avrà superato i controlli e prodotto file di output puliti.

Passaggio 10: Eseguire DRC ed ERC

Esegui il controllo delle regole di progettazione (DRC) per confrontare il circuito stampato con le tue regole, individuando tracce troppo vicine, spazi troppo ridotti, connessioni non instradate, via che violano le regole e correggi ogni violazione segnalata. Esegui nuovamente anche il controllo delle regole elettriche (ERC) sullo schema. Un DRC e un ERC senza errori rappresentano l'ultima e più economica opportunità per individuare gli errori prima di procedere alla fabbricazione.

Passaggio 11: Generare gli output di produzione

Esporta i file necessari alla fabbrica: file Gerber per ogni strato, un file di foratura NC e, per l'assemblaggio, una distinta base e un file pick-and-place. Includi i parametri che i file standard non acquisiscono: spessore della scheda, peso del rame, colori della maschera di saldatura e della serigrafia, finitura superficiale e requisiti di impedenza. Con output puliti a disposizione, sei pronto per ordinare tramite Produzione di PCB.

Progettare fin dall'inizio per la producibilità

Il miglioramento più importante che la maggior parte dei progettisti può apportare è quello di pensare alla producibilità in ogni fase del processo, non solo all'undicesima. Una scheda può superare tutti i controlli elettrici e risultare comunque difficile o costosa da realizzare.

Integrare la producibilità in ogni fase

• Nel layoutLascia uno spazio sufficiente tra i pezzi per il posizionamento e l'ispezione, ed evita dettagli più fini di quanto il tuo fabbricante sia in grado di realizzare in modo affidabile.
• Per il montaggio, aggiungere punti di riferimento, mantenere distanze adeguate e suddividere in pannelli in modo sensato affinché la scheda scorra senza intoppi attraverso una linea SMT.
• Per progetti termici, pianificare come il calore esce dalla scheda; i circuiti ad alta potenza potrebbero necessitare di un substrato adatto a gruppo con nucleo metallico.
• Per il volume, progettare pensando alla produzione in modo che gli stessi file si adattino assemblaggio PCB ad alto volume senza riprogettazione.

Un modo pratico per garantirlo è una revisione del progetto da parte del produttore prima di impegnarsi. revisione gratuita del DFM Verifica i tuoi file confrontandoli con un processo reale e segnala problemi, tolleranze al limite, dimensioni di foratura prossime al limite, dati mancanti, quando è ancora possibile correggerli con poco sforzo.

Consigli pratici per evitare di dover rifare la rotazione

La maggior parte delle seconde versioni di una scheda sono dovute a una serie di piccole sviste evitabili. Integrare queste abitudini nel proprio processo consente di risparmiare tempo e costi, evitando di dover ricorrere a una nuova produzione.

Prima di iniziare il percorso

• Verifica attentamente ogni impronta confrontandola con la relativa scheda tecnica, prestando particolare attenzione al pin 1 e all'orientamento del connettore.
• Aggiungere condensatori di disaccoppiamento in prossimità dei pin di alimentazione di ciascun circuito integrato; la loro assenza è una causa classica di malfunzionamenti.
• Verifica il genere e la piedinatura dei connettori confrontandoli con i componenti a cui si accoppiano.

Mentre il percorso

• Dimensionare le tracce di alimentazione e di massa in base alla corrente effettivamente trasportata.
• Fornire ai segnali ad alta velocità e sensibili percorsi brevi e percorsi di ritorno puliti: questa è la disciplina alla base della produzione di PCB ad alta velocità.
• Mantenere una distanza di sicurezza adeguata alle tensioni presenti e al processo di produzione.

Prima di rilasciare

• Correggi ogni elemento DRC e ERC, non solo quelli più ovvi.
• Prima di effettuare l'ordine, esegui una verifica di fattibilità producibile, ad esempio una revisione DFM gratuita.
• Rileggere la serigrafia per individuare i designatori di riferimento, i segni di polarità e gli indicatori del pin 1.

Nessuno di questi passaggi è difficile, ma saltarli è la ragione più comune per cui una prima scheda viene restituita per una revisione. Bastano pochi minuti di verifica per risparmiare un ciclo di produzione.

I 11 passaggi in sintesi

Lavorando in sequenza su questi undici passaggi, tenendo sempre presente la producibilità, si ottiene un progetto che una fabbrica può realizzare senza problemi. Puoi leggere di più Informazioni su Highleap Electronics e come trasformiamo un progetto finito, partendo dai file, in un progetto funzionante.

Domande frequenti

Quali sono le fasi principali della progettazione di un circuito stampato?

Quattro fasi: definire il circuito e scegliere il software; acquisire lo schema e assegnare le impronte; progettare il layout del circuito stampato (contorno, regole, posizionamento, instradamento, colate); e verificare e rilasciare (DRC/ERC, quindi generare i file di produzione). Gli undici passaggi rientrano in queste fasi.

Quale fase causa il maggior numero di guasti alla prima scheda?

L'assegnazione delle impronte (passaggio 4) è una causa frequente di problemi, poiché un pattern di pad errato impedisce ai componenti di adattarsi o saldarsi correttamente. Un'altra causa comune è saltare o affrettare il controllo delle regole di progettazione (passaggio 10). La verifica delle impronte e il superamento del DRC prevengono la maggior parte dei guasti.

Devo impostare le regole di progettazione prima del routing?

Sì. Impostare in anticipo la larghezza minima della traccia, la distanza, la dimensione del via e l'anello anulare, in base alle capacità del produttore, guida l'editor verso una scheda realizzabile e impedisce l'accumulo di violazioni. Le regole impostate dopo il routing implicano la rielaborazione delle tracce.

Quali file vengono prodotti dal passaggio 11?

File Gerber per ogni strato e un file di foratura NC per la fabbricazione, oltre a una distinta base e un file pick-and-place per l'assemblaggio. Specificare inoltre lo spessore del circuito stampato, il peso del rame, i colori della maschera di saldatura e della serigrafia, la finitura e gli eventuali requisiti di impedenza.

In che modo un buon posizionamento si differenzia da un buon percorso?

Il posizionamento determina la posizione dei componenti; il cablaggio li collega. Un buon posizionamento, che raggruppa i componenti correlati, mantiene brevi i segnali critici e lascia spazio per il rame, semplifica il cablaggio. Un posizionamento frettoloso rende il cablaggio difficile, a prescindere dalla tua esperienza, quindi dedica tempo alla fase 7.

Quando dovrei considerare la fattibilità produttiva?

Fin dal primo passo, non solo al momento del rilascio. Lasciare spazio per l'assemblaggio, evitare dettagli più fini di quanto il produttore possa realizzare, pianificare i percorsi termici e progettare per il volume in ogni fase previene costose riprogettazioni. Una revisione DFM (Design for Manufacturing) da parte del produttore prima dell'ordine conferma che il progetto è realizzabile.

Qual è il motivo più comune per cui una scheda di controllo necessita di una seconda revisione?

Errori evitabili: un footprint errato, condensatori di disaccoppiamento mancanti, una piedinatura del connettore errata o elementi DRC non corretti. Il controllo dei footprint rispetto ai datasheet, l'aggiunta di condensatori di disaccoppiamento, la verifica dei connettori e la risoluzione di ogni elemento DRC ed ERC prima del rilascio prevengono la maggior parte delle riprogettazioni.

Quanto tempo ci vuole per progettare un circuito stampato?

I tempi variano notevolmente in base alla complessità, da un pomeriggio per una scheda semplice a settimane per una complessa. La creazione dello schema elettrico e il routing richiedono solitamente la maggior parte del tempo, e una verifica accurata prima del rilascio è un investimento di tempo prezioso perché evita una riprogettazione molto più lenta in seguito.

Ho bisogno di software separati per lo schema e per il layout?

No. I moderni strumenti EDA gestiscono sia la creazione dello schema elettrico che il layout del PCB in un unico pacchetto ed esportano i file di produzione, quindi un singolo strumento ti permette di passare dal circuito ai file Gerber. Scegline uno che supporti la complessità del tuo progetto ed esporti in formati standard.

Posso saltare lo schema elettrico e realizzare direttamente i componenti del circuito stampato?

È fortemente sconsigliato. Lo schema elettrico è la fonte di riferimento da cui vengono generati e verificati il ​​layout e la netlist; ometterlo elimina il controllo delle regole elettriche e rende molto più difficile individuare gli errori. Disegnate prima lo schema elettrico, poi realizzate il layout del circuito stampato a partire da esso.