Progettazione PCB per principianti: una guida passo passo per costruire la tua prima scheda

La prima scheda che un principiante invia di solito ritorna con uno di questi tre problemi: un ingombro del connettore che si trova a mezzo millimetro dai pad, un tracciato di alimentazione che si surriscalda sotto carico o un pacchetto Gerber di cui il produttore deve inviarti un'e-mail prima ancora che il lavoro possa iniziare. Nessuno di questi sono errori di circuito. Si tratta di decisioni di layout e trasferimento prese dopo che lo schema è già stato eseguito sullo schermo.

Per un primo progetto, il percorso affidabile è stretto. Mantieni la scheda su un solo lato o a due strati, posiziona ogni connettore e foro di montaggio prima di instradare una singola traccia, dimensiona le tracce di alimentazione da una tabella corrente invece che a occhio e termina con un controllo delle regole di progettazione che corrisponda a ciò che il tuo produttore può effettivamente produrre. Le sezioni seguenti spiegano perché esiste ciascuno di questi passaggi e quanto costa se lo salti.

Inizia con uno schema e impronte che puoi verificare

Lo schema non è un documento che finisci prima che inizi il lavoro di progettazione "reale". È la netlist che guida il layout, la distinta base e il disegno di assieme, e ogni mancata corrispondenza rimasta in essa diventa una traccia di rame che devi tagliare in seguito.

Trascorri l'ora in più nella biblioteca invece che nel layout. I repository aperti e i siti di distribuzione sono pieni di impronte disegnate da altri utenti e un pad troppo stretto di 0,2 mm sembra comunque convincente sullo schermo rendendo la saldatura manuale quasi impossibile.

• Copia il modello di terreno consigliato dalla scheda tecnica del componente anziché disegnarne uno tuo.
• Conferma l'orientamento del perno 1 e controlla se la parte è specchiata quando si trova sul lato inferiore.
• Verificare che ciascun cortile dell'impronta non si sovrapponga a quelli vicini.
• Abbina il numero di pad dell'impronta al simbolo prima di importarli entrambi nel layout.

Se stai ancora costruendo un modello mentale dell'intero flusso, vale la pena leggere una panoramica delle basi della progettazione PCB, delle scelte di stackup e dei suggerimenti per la risoluzione dei problemi prima di dedicare un fine settimana a uno strumento di layout.

Di solito è sufficiente un pannello a un lato o a due strati

Per un primo progetto, uno o due strati sosterranno quasi sempre il circuito, e la scheda più semplice è più economica da realizzare, più veloce da arrivare e molto più facile da rielaborare quando qualcosa va storto.

Una tavola a lato singolo mette ogni traccia sul rame inferiore e ogni parte sopra. Non ci sono vie placcate di cui preoccuparsi e, se una traccia deve incrociarsi con un'altra, è possibile risolvere il problema con un collegamento via cavo invece che con una riprogettazione. Questo è il motivo per cui molti dei primi progetti (timer, breakout di sensori, driver a transistor singolo) rimangono unilaterali.

La finitura superficiale conta più di quanto i principianti si aspettino. L'OSP, il conservante organico per la saldabilità, lascia rame piatto che si salda bene, ha una durata di conservazione ragionevole e costa meno della placcatura in oro. Una scheda OSP a lato singolo è un primo ordine sensato perché su di essa c'è ben poco che un saldatore maldestro possa danneggiare.

Scheda PCB OSP a lato singolo I PCB OSP a lato singolo utilizzano un trattamento superficiale con pellicola organica saldabile (OSP), che è ecologico e non tossico. Offrono cuscinetti altamente piatti, maki... Visualizza il prodotto →

Due strati offrono un piano di massa continuo su un lato, che rappresenta il più grande miglioramento del rumore e della qualità del segnale disponibile per pochi soldi. Se il tuo progetto include un regolatore di commutazione, un bus SPI o un cristallo, inizia da due livelli.

Passa a quattro livelli quando il percorso o il rumore lo richiedono

Quattro strati smettono di essere un lusso quando la densità del segnale o la velocità del clock aumentano. La disposizione standard adatta ai principianti è segnale, terra, alimentazione, segnale: ogni traccia riceve un piano di riferimento continuo direttamente sotto di essa, il che rimuove la maggior parte delle congetture sul percorso di ritorno che affliggono i layout a due strati.

Il passaggio da due a quattro strati è reale ma di solito più piccolo di quanto si possa temere e consente di acquistare una tavola più silenziosa con tempi di layout molto inferiori. Una costruzione standard a quattro strati con maschera di saldatura verde e finitura OSP è il luogo in cui finiscono molti dei primi progetti seri.

PCB OSP verde a 4 strati Quattro strati double-sided green OSP boards, using high-Tg FR-4 substrate and environmentally friendly OSP (organic soldering flux) surface treatment process, the green s... Visualizza il prodotto →

Posiziona i componenti prima di instradare qualsiasi cosa

Il posizionamento decide la maggior parte della difficoltà del percorso. I principianti spesso posizionano le parti in modo approssimativo, iniziano a instradare e solo allora scoprono che un connettore deve muoversi.

1. Posiziona prima i connettori, gli interruttori, i LED e i fori di montaggio, perché la custodia decide dove posizionarli.
2. Successivamente aggiungi parti con vincoli meccanici: cristalli, antenne, dissipatori di calore, qualsiasi cosa con un'area vietata.
3. Posiziona ciascun condensatore di disaccoppiamento il più vicino possibile al pin di alimentazione che serve, sullo stesso lato se lo spazio lo consente.
4. Disporre i componenti rimanenti in modo che le connessioni tra loro rimangano brevi, quindi iniziare l'instradamento.

Mantenere il rame ad almeno 0,3 mm dal contorno della scheda, a meno che il produttore non dichiari diversamente, e ricordare che i bordi con rigatura a V o fresati rimuovono il materiale dopo l'assemblaggio. Non seppellire un punto di prova sotto una parte alta e lasciare spazio per sondare tutto ciò che dovrai misurare: lo misurerai.

Le dimensioni derivano dalla corrente, non dall'abitudine

L'ampiezza della traccia è una decisione termica prima di qualsiasi altra cosa. Una traccia troppo stretta per la corrente si surriscalda e questo aumento di temperatura, non solo la corrente, è ciò che alla fine danneggia il laminato o un giunto di saldatura.

Le curve IPC-2221 si trovano dietro quasi tutti i calcolatori online di larghezza di traccia e il modello è semplice: la larghezza cresce più velocemente della corrente. Passare da 1A a 2A sullo stesso spessore di rame moltiplica la larghezza richiesta di circa 2,6, non di due. Anche le tracce dello strato interno diventano più calde perché il laminato intrappola il calore, quindi una traccia interna necessita di circa 2,6 volte la larghezza del suo equivalente strato esterno.

Trattare queste cifre come minime solo per la temperatura. La caduta di tensione, l'impedenza controllata e la corrente di fusione spingono tutte le ampiezze verso l'alto.

Quando un progetto è veramente attuale, il peso del rame e la finitura superficiale diventano decisioni di layout piuttosto che dettagli di acquisto. Due once di rame dimezzano all'incirca ogni larghezza nella tabella e vale la pena specificare in anticipo una finitura saldata senza piombo, come quella utilizzata su una scheda senza piombo a doppia faccia costruita per l'elettronica di potenza e automobilistica, perché cambia sia il processo che la superficie su cui si salderà.

PCB saldato verde senza piombo a doppia faccia per elettronica di potenza e automobilistica Pannello stagnato verde senza piombo su entrambi i lati. La spessa barriera metallica formata dal rivestimento in stagno ha eccellenti prestazioni di dissipazione del calore e la capacità di gestire... Visualizza il prodotto →

Anche la geometria conta. Instradalo a 45 gradi anziché a 90, mantieni i circuiti ad alta corrente fisicamente piccoli ed esegui le tracce del segnale su un terreno ininterrotto ovunque lo stackup lo consenta.

Gestisci la DRC contro i limiti reali del produttore

Il controllo delle regole di progettazione non è una formalità riservata alla fine. Imposta le tue regole dalle funzionalità pubblicate dal produttore prima di iniziare, quindi esegui il controllo dopo il posizionamento e di nuovo dopo l'instradamento.

Le fabbriche multistrato possono contenere una larghezza di linea e una spaziatura di 3/3 mil (una scheda placcata in oro a 6 strati con quella geometria è una produzione di routine per molti di loro) ma progettare a 6/6 mil non costa nulla a una prima scheda lenta in termini di prestazioni e lascia margine contro variazioni di incisione e preventivi più economici.

Prima dell'esportazione, deseleziona questi controlli:

• Reti non connesse e con pad singolo, il che di solito significa che un simbolo schematico non è mai stato cablato.
• Violazioni delle distanze tra tracce, cuscinetti e getti di rame.
• Serigrafia stampata su cuscinetti esposti, che interferisce con la pasta saldante.
• Anelli anulari e dimensioni delle punte inferiori al minimo del produttore.
• Pad sovrapposti o duplicati, spesso lasciati indietro quando un'impronta viene modificata.

Quindi esporta Gerbers in formato RS-274X, un file per strato, più un file di foratura NC in unità corrispondenti e una breve nota di testo che elenca il numero di strati, lo spessore della scheda, il peso del rame, la finitura superficiale ed eventuali requisiti di impedenza. Ogni domanda che un produttore deve farti aggiunge un giorno al preventivo.

Cosa inviare e cosa ritorna

La produzione è rapida una volta che i file sono corretti. I tempi di consegna standard per una scheda semplice sono questi:

• Grandi lotti monofacciali e bifacciali: da 6 a 7 giorni
• Da 4 a 8 strati: da 9 a 20 giorni
• Da 10 a 16 strati: da 20 a 25 giorni
• Da 16 a 32 strati: da 25 a 45 giorni
• Tavole HDI: entro 25 giorni
• Prototipi fronte-retro: in sole 24 ore

Il prezzo dipende dalle dimensioni, dal numero di strati, dal peso del rame, dalla finitura, dalla quantità e dall'intensità con cui si spinge la tolleranza. Le certificazioni mostrano quali mercati può servire una fabbrica: ISO 9001, ISO 14001 e ISO 45001 coprono la gestione generale della qualità, dell'ambiente e della sicurezza, mentre la IATF 16949 è importante quando la scheda finisce in un veicolo e UL è importante quando il prodotto finito viene venduto in Nord America. Leggere la pagina del servizio di un potenziale fornitore prima di bloccare i Gerber ti dice quali tolleranze e finiture eseguono ogni giorno, il che è più utile dei minimi stampati in una tabella di capacità.

Se togli una sequenza da questo articolo, rendila questa:

1. Disegna lo schema e verifica ogni impronta rispetto a una scheda tecnica.
2. Scegli il numero di strati più basso che trasporta i tuoi segnali e aggiungi un piano di terra non appena passi a due strati.
3. Posiziona i connettori, i fori di montaggio e i condensatori di disaccoppiamento prima di instradare qualsiasi cosa.
4. Dimensiona le tracce di potenza da una tabella di corrente e mantieni i circuiti di corrente brevi.
5. Esegui DRC, esporta Gerber RS-274X con un file di foratura NC e invia il pacchetto con una nota scritta di impilamento.

Quindi ordina una piccola quantità di prototipo, accendilo lentamente e scrivi cosa cambieresti. La seconda scheda è sempre migliore della prima e il modo più veloce per imparare a progettare PCB è finirne una.