Navigazione nel layout PCB: migliori pratiche per gli ingegneri

Il layout di un PCB è molto più del semplice aspetto. Un layout PCB di successo dispone fisicamente i suoi circuiti per ottenere prestazioni elettroniche ottimali pur essendo completamente producibile. Ciò richiede un'attenta gestione delle librerie dei componenti, delle impostazioni e dei parametri CAD, del posizionamento dei componenti, dell'instradamento e della progettazione della rete di distribuzione dell'energia (PDN). Inoltre, i progettisti del layout devono garantire che il loro lavoro sia completamente documentato e che il prodotto finale sia pronto per essere incluso nel sistema elettronico previsto.

C'è molto lavoro da fare, soprattutto per gli ingegneri che non hanno familiarità con il processo di layout del PCB. Per agevolare questo flusso di lavoro, è consigliabile disporre di un set completo di linee guida per il layout PCB come riferimento. Gli standard aziendali e di settore determineranno i dettagli del progetto, ma le linee guida sul layout sono essenziali per aiutare gli ingegneri a percorrere il processo di sviluppo del PCB dall'inizio alla fine. Di seguito sono riportate alcune linee guida di base per il layout di progettazione PCB che possono essere utilizzate per formulare la propria guida allo sviluppo di PCB.

Prima di iniziare il layout del PCB

È necessario affrontare diverse attività prima che inizi il processo di layout per garantire una progettazione di successo. Uno dei primi compiti è stabilire la libreria di impronte PCB da utilizzare.

Quando crei la tua libreria di layout PCB, è fondamentale utilizzare standard di settore (come IPC) o specifiche del produttore per dimensioni e dimensioni del contenitore. Tuttavia, anche esigenze personali, aziendali o tecniche possono dettare variazioni per alcune parti. Ad esempio, i pacchetti nei progetti RF potrebbero richiedere dimensioni dei pad più piccole rispetto ai progetti digitali standard. Ecco alcune linee guida aggiuntive per creare la propria libreria di impronte di componenti PCB:

• Assicurarsi che tutti i componenti della libreria creati abbiano dimensioni del modello di pad accettabili con una spaziatura conforme agli standard del componente.
• Le impronte del PCB dovrebbero includere tutti gli elementi necessari, come i contorni delle parti, i contrassegni serigrafati e i designatori di riferimento.
• Una buona regola pratica è garantire che il produttore possa costruire le parti che stai progettando prima di inviarle al progetto finale.

Un'altra opzione consiste nell'utilizzare impronte PCB di fornitori di librerie CAD esterne. I produttori di parti spesso creano in anticipo i propri componenti per il sistema di progettazione e alcuni strumenti dispongono di browser per scaricare comodamente queste parti.

Contorno PCB e impilamento dei livelli

Prima di iniziare il layout del PCB, è necessario collaborare con i progettisti meccanici per ottenere una buona forma del contorno. Sebbene i fattori di progettazione possano essere modificati in seguito, eventuali modifiche potrebbero imporre una riprogettazione significativa del circuito per adattarsi alla nuova forma. Inoltre, la maggior parte degli strumenti CAD accetterà dati importati da sistemi di progettazione meccanica, semplificando il lavoro. Tuttavia, anche con i dati importati, è comunque necessario assicurarsi che il contorno del PCB sia corretto e contenga tutti gli elementi CAD necessari per la progettazione, come le zone vietate.

La configurazione degli strati deve essere completata prima di iniziare il layout. Anche in questo caso, è possibile modificarla in seguito, ma il potenziale impatto sui circuiti esistenti potrebbe compromettere la pianificazione e il budget del progetto. La configurazione degli strati deve inoltre essere ottimizzata per il progetto specifico, al fine di garantire la corretta configurazione degli strati per il routing a impedenza controllata e altri requisiti di integrità del segnale. Anche la scelta del materiale del PCB in questa fase è fondamentale, in modo da poter effettuare i calcoli di progettazione appropriati per la larghezza delle tracce e altri parametri, basandosi sulle proprietà fisiche del materiale. Queste proprietà includono la costante dielettrica, la qualità dell'isolamento, il tasso di assorbimento dell'umidità e il fattore di dissipazione.

Parametri e impostazioni CAD

Non è raro trovare progettisti che lavorano con le impostazioni predefinite dei loro sistemi CAD. Tuttavia, la maggior parte dei sistemi CAD fornisce agli utenti un ampio controllo su colori, motivi di riempimento, ombreggiatura, nonché dimensioni e larghezze dei caratteri. Puoi anche modificare la visualizzazione di determinati oggetti, posizionare un elemento di progettazione sopra un altro, impostare griglie e specificare le preferenze di layout e percorso. Queste impostazioni sono progettate per migliorare l'efficienza del tuo lavoro e puoi risparmiare tempo ottimizzando le impostazioni in anticipo.

Linee guida per il posizionamento dei componenti

Una volta completate le librerie CAD, la struttura del PCB e altre attività di configurazione, è possibile iniziare la progettazione. Il primo passo in questo processo è posizionare le impronte dei componenti PCB sulla scheda. Il posizionamento dei componenti sulla scheda deve soddisfare tre requisiti principali: prestazioni del circuito, producibilità e accessibilità.

Prestazioni del circuito

I circuiti ad alta velocità necessitano che i loro componenti siano posizionati il ​​più vicino possibile tra loro per ottenere percorsi di segnale brevi e diretti, ma non sono gli unici componenti con questo requisito. Anche i circuiti analogici e i componenti di potenza devono essere posizionati in modo che i loro percorsi sensibili o ad alta corrente siano i più brevi possibile. Ciò aiuta a ridurre l'induttanza e migliora l'integrità del segnale e dell'alimentazione. Tuttavia, in alcuni casi, potrebbe essere necessario separare questi componenti per consentire il routing del bus o l'isolamento termico.

Produttività

Per ridurre al minimo i costi di produzione, è importante posizionare i componenti in modo che sia il più semplice possibile da produrre. Ad esempio, i componenti troppo vicini tra loro potrebbero non essere assemblabili automaticamente o potrebbero essere difficili da saldare con processi di saldatura automatizzati. I componenti più alti del chip produrranno un effetto ombra quando la saldatura a onda viene eseguita in parti più piccole davanti a loro, con conseguenti collegamenti di saldatura inadeguati. Il rame sbilanciato tra due piazzole di saldatura di piccoli componenti in chip produrrà un riscaldamento non uniforme, causando la fusione di una piazzola di saldatura prima dell'altra, tirando verso l'alto l'altro lato.

Accessibilità

I circuiti stampati in genere devono essere testati e rielaborati manualmente, il che richiede l'accesso ai componenti che devono essere risolti. Se componenti più grandi li oscurano, il loro lavoro potrebbe richiedere più tempo o causare danni accidentali ai componenti adiacenti. Allo stesso modo, anche connettori, interruttori e altre interfacce uomo-macchina inaccessibili possono rallentare la produzione del circuito.

Un principio guida chiave è che il layout dovrebbe iniziare con una vista in pianta di base dei componenti sulla scheda di sviluppo. Ciò consentirà di ideare strategie su come dividere le diverse aree del circuito sulla scheda per evitare la sovrapposizione di segnali analogici e digitali.

Linee guida per il layout del PCB: il posizionamento efficace dei componenti porta al routing

Linee guida per l'instradamento del PCB

Per i progettisti di circuiti stampati, è fondamentale disporre i circuiti stampati in modo da creare un'integrità ottimale del segnale e dell'alimentazione. I componenti devono essere posizionati in posizioni ottimali per ottenere un percorso breve e diretto. Allo stesso tempo, il PCB deve essere disposto in modo tale che tutte le reti possano essere completamente instradate. Bilanciare questi requisiti può essere una vera sfida nei progetti ad alta densità. La prima linea guida per il layout di progettazione PCB consiste nell'impostare regole di progettazione e vincoli per l'instradamento.

Regole e vincoli di progettazione

Tecnicamente, la configurazione delle regole e dei vincoli di progettazione dovrebbe essere inclusa nei parametri e nelle impostazioni. Tuttavia, poiché la maggior parte delle regole si applica direttamente al tracciato, le includiamo qui. Regole e vincoli vengono utilizzati per controllare le larghezze dei binari e le spaziature e possono essere impostati per singole reti, gruppi di reti chiamati classi di rete o come impostazioni predefinite per tutte le reti non specificate. Le regole di progettazione vengono utilizzate anche per controllare quali via vengono selezionati per diverse net, lunghezze di instradamento e lunghezze corrispondenti e quali livelli sono consentiti per l'instradamento di net e topologie di instradamento specifiche. Inoltre, le regole di progettazione vengono utilizzate per controllare la spaziatura dei componenti, le regole serigrafiche, le distanze meccaniche e molti altri vincoli.

Integrità del segnale e dell'alimentazione

Per ottenere prestazioni ottimali e integrità del segnale, i progettisti di layout di PCB devono rispettare requisiti specifici per il routing dei circuiti. In questo contesto, le regole e i vincoli di progettazione si rivelano utili, consentendo ai progettisti di inserire i parametri di routing fisici nei sistemi CAD. Sebbene i valori esatti varino in base alle esigenze del PCB, i progettisti in genere definiscono delle regole per garantire il rispetto delle seguenti linee guida:

• I percorsi per le trasmissioni ad alta velocità dovrebbero essere brevi e diretti.
• Larghezze delle tracce, spaziature e livelli consentiti per il routing ad impedenza controllata.
• Lunghezze dei binari specificate e tolleranze di lunghezza per percorsi di lunghezza corrispondente.
• Larghezze e spaziature per coppie differenziali.
• Larghezze e spaziature per segnali sensibili come orologi e controlli.
• Tipi di Via per reti diverse.
• Larghezze e spaziature dei binari per circuiti analogici.
• Carreggiate e pesi in rame per circuiti di potenza ad alta corrente.

Un'altra linea guida importante da ricordare è quella di evitare aree di incrocio tra percorsi analogici e digitali durante l'instradamento in progetti a segnale misto.

Linee guida sulla potenza effettiva e sul piano di massa

Per i moderni progetti ad alta velocità, la strategia di messa a terra ottimale consiste spesso nell'utilizzare uno o più strati di massa continui sugli strati interni. Ciò offre un'eccellente protezione dalle interferenze elettromagnetiche (EMI) e garantisce percorsi di segnale liberi, migliorando l'integrità complessiva del segnale. Nelle aree in cui si verificano discontinuità del piano di massa a causa di particolari contorni o caratteristiche del PCB, è opportuno evitare di instradare i segnali in corrispondenza di eventuali spazi vuoti sulla scheda. Se non sono presenti piani di massa continui e adiacenti che fungano da percorsi di ritorno liberi per i segnali, il progetto potrebbe generare molto rumore indesiderato. Ecco alcune linee guida da tenere a mente per i piani di alimentazione e di massa:

• Gli strati di terra devono essere adiacenti agli strati di segnale in a Stack di PCB con percorso ad alta velocità. Ciò contribuirà a proteggere il routing ad alta velocità dalle interferenze e fornirà un buon piano di riferimento per i percorsi di ritorno del segnale.
• Utilizza i cuscinetti termici e gestisci con attenzione i collegamenti di alimentazione e di terra dell'aereo. Il raggio del cuscinetto della striscia di cuscino deve essere sufficientemente ampio da trasportare corrente elevata, eliminando al tempo stesso la possibilità che questi collegamenti agiscano come radiatori.
• Pianificare attentamente le connessioni di alimentazione e dividere i piani di alimentazione per garantire che l'alimentazione venga fornita in misura sufficiente a tutti i componenti collegati in tutto il PCB.

Evitare l'instradamento simultaneo di circuiti analogici e digitali nei progetti a segnale misto

Linee guida per i test serigrafici e PCB

Una volta completata la progettazione del PCB , è il momento di concentrarsi sulla finalizzazione del layout, pulendo lo strato serigrafico e aggiungendo i punti di test. I riferimenti, i codici dei componenti e altre informazioni aziendali vengono impressi sul PCB con inchiostro tramite il processo di serigrafia. I progettisti utilizzano in genere lo strato "stampa serigrafica" nel loro sistema CAD per disegnare questi riferimenti.

Per garantire che i segni degli strati serigrafici siano leggibili, i progettisti seguono queste linee guida:

• La larghezza della linea non deve essere inferiore a 4 mil.
• Le dimensioni dei caratteri non devono essere inferiori a 24 mil.

I designatori di riferimento dei componenti dovrebbero essere rinominati in base allo schema a griglia dell'azienda per facilitare l'individuazione di parti specifiche sul circuito. Sposta e ruota i segni di riferimento per renderli facili da leggere. Includere la polarità e appuntare i contrassegni dove necessario.

I punti di prova sono cruciali per i circuiti stampati destinati alla produzione di massa per la verifica automatizzata dell'assemblaggio. Ogni rete nel progetto dovrebbe avere un punto di test, che si tratti di un pin a foro passante esistente, di un via o di un pad di test a montaggio superficiale aggiunto. I punti di test devono trovarsi ad almeno 50 mils di distanza da altri oggetti sul PCB, come componenti o pad, e ad almeno 100 mils dal bordo del PCB. Tuttavia, questi valori possono variare in base al fornitore, quindi assicurati di controllare quali sono i requisiti dei punti di prova del produttore.