Progettazione di Circuiti Stampati

Paolo Perego

Sommario CIRCUITI STAMPATI ........................................................................................................................................... 3

TECNOLOGIE DI MONTAGGIO DEI COMPONENTI SUL CIRCUITO STAMPATO .................................................. 6

THT – THROUGH HOLE TECHNOLOGY ........................................................................................................... 6

SMT – SURFACE MOUNTING TECHNOLOGY .................................................................................................. 6

I PACKAGE DEI COMPONENTI ............................................................................................................................ 7

TECNOLOGIA THT .......................................................................................................................................... 7

TECNOLOGIA SMT .......................................................................................................................................... 8

Resistenze e condensatori e transisitor. .................................................................................................... 8

Circuiti integrati ......................................................................................................................................... 8

PORTATA DELLE PISTE ..................................................................................................................................... 10

REGOLE PER LO SBROGLIO .............................................................................................................................. 12

Scheda a doppia faccia con componenti SMD ............................................................................................ 12

Disposizione ............................................................................................................................................. 12

Sunto delle regole di posizionamento ..................................................................................................... 14

Lo sbroglio ............................................................................................................................................... 14

Espansione o piano di massa. .................................................................................................................. 16

Posizionamento dei fiducials (opzionale per la saldatura automatica) ................................................. 17

Serigrafia e schema di montaggio dei componenti. ................................................................................ 17

SCHEDA MULTI STRATO CON COMPONENTI SMD ...................................................................................... 18

Disposizione ............................................................................................................................................. 18

Sbroglio .................................................................................................................................................... 18

Espansione (paini) di massa e posizionamento dei fiducials. .................................................................. 19

SCHEDA CON CIRCUITO INTEGRATO CON PACKAGE BGA. .......................................................................... 20

Disposizione ............................................................................................................................................. 20

Sbroglio. ................................................................................................................................................... 20

PISTE PATICOLARI ........................................................................................................................................ 20

FILE DI USCITA.............................................................................................................................................. 22

Generazione di file gerber con Eagle Cadsoft ......................................................................................... 22

BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................................................. 24

CIRCUITI STAMPATI Un circuito stampato, in inglese “printed circuit board” (PCB) è quel componenti sul quale vengono montati i componenti elettronici. Le funzioni di un circuito stampato sono:

• Garantire le interconnessioni elettriche tra i vari componenti in modo da costituire un vero e proprio circuito elettrico.

• Fornire supporto meccanico per i componenti della scheda e gli accessori (dissipatori, connettori, ecc…). Il supporto meccanico lavorabile permette l’alloggiamento del circuito stampato in contenitori anche di forma complessa.

• Permettere la dissipazione del calore generato dal circuito stesso.

Fig. 1: Esempio di circuito doppia faccia, in alto si notano i colori blu e rosso del primo layer (TOP) e del secondo (BOTTOM).

A seconda degli strati conduttivi presenti nel circuito stampato, si parla di circuito “mono-faccia” (con un solo strato conduttivo), “doppia faccia” (con due strati conduttivi, uno sopra ed uno sotto) e “multi-faccia”. Gli strati conduttivi (detti layers) sono di solito presenti in numero pari tranne che in alcune eccezioni. Di seguito sarà illustrato come sono usati i layer ed il motivo per il quale il costo di realizzazione del PCB dipende dal loro numero. In un circuito stampato il substrato, piano e di spessore costante, è caratterizzato dalla presenza di isolante solido, composto da materiali chiamati materiali di base con caratteristiche ignifughe. Lo spessore dello stampato è molto variabile, può andare da qualche decimo di millimetro fino a 5mm; solitamente il pcb ha uno spessore di 1.6mm. Per quanto riguarda lo spessore degli strati conduttivi (e quindi delle piste) i valori più comuni sono 17Pm, 35Pm e 70Pm. L’utilizzo di differenti tipi di substrato ha permesso negli ultimi anni la realizzazione di circuiti stampati flessibili ed ibridi (giunti flessibili tra circuiti rigidi).

Fig. 2: Esempio di PCB flessibile (da www.flexiblecircuit.com)

La scelta del substrato è importante nella realizzazione del dispositivo in quanto da esso dipende:

• La massima temperatura sopportabile • La conducibilità termica (importante per la dissipazione) • La rigidità meccanica

Esistono diversi tipi di materiali di base per il substarto, distinti a seconda della rigidità elettrica e della capacità di resistere agli stress chimici e termici. Materiali tipici di cui è composto il pcb sono: - FR-2. E’ composto da un foglio di carta piegato più volte impregnato di una resina fenolica resistente al fuoco. E’ economica ed è usata per applicazioni semplici (radio, giocattoli…) dove non sono richieste alte prestazioni. - FR-3. Come la precedente è composta da carta impregnata di una resina epossidica. - FR-4. É il materiale più comune utilizzato per realizzare circuiti stampati. É composto da un tessuto di fibre di vetro impregnato di una resina epossidica. Le buone proprietà elettriche, meccaniche e termiche rendono l’FR-4 una scelta molto comune per molte applicazioni: informatica, telecomunicazioni, settore aerospaziale e controllo industriale. - CEM-1. E’ composto da due strati tessuti di fibra di vetro con uno strato di carta nel mezzo; entrambi questi materiali sono impregnati di una resina epossidica. Possiede migliori caratteristiche elettriche e fisiche rispetto all’FR-1 e FR-2 - CEM-3. E’ composto da due strati tessuti di fibra di vetro, con uno non tessuto di fibra di vetro nel mezzo, entrambi impregnati di una resina epossidica. - Polymide/fiberglass. Sostiene temperature più elevate ed è più rigido - KAPTON.Flessibile, leggero, utilizzato per applicazioni specifiche quali tastiere e display I PCB possono essere realizzati con due differenti metodi: per fresatura e per fotolitografia. Nel processo di fresatura i PCB vengono realizzati assemblando sottili strati di sostanza organica non conduttiva con strati di materiale elettrico conduttivo. Gli strati conduttivi sono composti in rame e costituiscono la base sui quali verranno costituite le linee di connessione tra i vari componenti presenti sul PCB. La realizzazione delle linee sui PCB viene eseguita per fresatura. Il processo di fresatura è un processo adatto per bassi volumi di produzione e prototipizzazione e nei casi in cui la larghezza minima delle piste può arrivare fino a 0,2-0,1mm.

Fig. 3: Processo di fresatura.

Il processo di litografia parte da una board composta da uno strato isolante ricoperto da uno o due strati di rame. Il primo passo del processo consiste nella ricopertura del rame con photoresist, un materiale fotosensibile, mediante pressione ad elevata temperatura. Il circuito viene quindi disegnato attraverso un sistema CAD, e poi passato ad un sistema di processamento al fine di convertire il circuito in un layout fisico che rispetti le specifiche di progetto. Da questo si genera una maschera, il master. Se il PCB è a doppia faccia, le maschere vengono allineata per mezzo dei così detti fori di registrazione. Le maschere vengono posizionate sul fotoresist e vengono irraggiate con luce ultravioletta La parte esposta viene polimerizzata, al contrario delle parti coperte dalla maschera. Le parti non esposte di fotoresist non subiscono variazioni e vengono rimosse completamente mediante un lavaggio in soluzione alcalina. Si passa quindi alla fase di etching con cui il rame senza fotoresist viene eroso fino al sottostante substarto in resina epossidica. Successivamente il fotoresist ancora presente sulle tracce di rame verrà rimosso. Viene così ottenuto un circuito stampato mono o doppia faccia con le connessioni volute. Per creare layer addizionali il PCB a doppia faccia può essere rivestito con altri strati di resina epossidica e relativi starti di rame. La struttura così ottenuta viene unita mediante un trattamento a pressione ad alta temperatura. La connessione fra i vari layer viene successivamente creata forando il PCB e metallizando i fori. Sul PCB può essere anche fatta una stampa serigrafica con scritte, disegni e altre indicazioni per segnare la posizione dei componenti. Alla fine il PCB viene ricoperto da una maschera superficiale per proteggere le piste dall’ossidazione e per facilitare la saldatura.

Fig. 4: Alcune fasi del processo di fotolitografia e di composizione di un circuito multi-strato

Per la scelta del numero di layer di un PCB si consideri che: - Aumentando il numero di layer si riduce la densità delle piste e eventualmente la dimensione del PCB. - Aumentando il numero di layers aumenta il costo del PCB. Solitamente i PCB multistrato hanno un numero pari di layer (aumentano di due alla volta) e molto spesso si limitano a 6:

- 2 facce estrne (TOP e BOTTOM) per i componenti - 2 facce interne per le connessioni - 1 faccia per GND - 1 faccia per l’alimentazione.

Per lo sviluppo di prototipi generalmente si preferisce utilizzare 2 strati o al più 4, di cui due per la distribuzione di massa e alimentazione.

TECNOLOGIE DI MONTAGGIO DEI COMPONENTI SUL CIRCUITO STAMPATO

THT – THROUGH HOLE TECHNOLOGY La tecnologia THT (Through Hole Technology) è basata sull’uso di componenti dotati di terminali metallici che vengono inseriti in fori praticati nel PCB. I componenti vengono saldati alle piazzole con il metodo di saldatura a onda (breve esposizione ad una lega saldante, solitamente stagno, a temperatura elevata). Questo metodo di saldatura non permette il posizionamento superficiale dei componenti in quanto i terminali devono esser passanti ed inseriti in fori.

Fig. 5: Sezione di saldatura di un componente con tecnologia THT ed esempio di scheda elettronica THT.

SMT – SURFACE MOUNTING TECHNOLOGY La tecnologia SMT (Surface Mounting Technology) prevede che i componenti, vengano messi a contatto con la scheda senza forare la scheda ma con montaggio è superficiale (Fig. 6).

Fig. 6: Sezione della saldatura di un componente SMT ed esempio di scheda elettronica.

Questa tecnologia, rispetto a quelle precedenti, presenta i notevoli vantaggi: - Permette di automatizzare il processo di collocazione dei componenti sulla scheda,

riducendo la manodopera e quindi i costi i produzione; - Consente di saldare i componenti tramite processo termico, che risulta essere più

controllabile rispetto la saldatura ad onda; - Riduce il numero di fori da praticare sulla scheda poiché non sono più necessari i fori per i

terminali dei componenti aumentando le performance meccaniche della scheda; - Permette il posizionamento dei componenti su più lati del PCB; - I componenti montati con questa tecnologia risultano più economici rispetto al

corrispondente THT; - Permette di ridurre le dimensioni dell’intero circuito.

Per contro l’assemblaggio manuale risulta difficoltoso a causa delle dimensioni molto piccole e delle spaziature ancor più piccole tra i pin dei circuiti integrati.

Fig. 7: Differenza tra circuiti THT e SMT; si noti anche la parte sottostante del circuito.

I PACKAGE DEI COMPONENTI

TECNOLOGIA THT x DIP o DIL, dual in line package. Si tratta di un package di tipo rettangolare con 2 file

parallele di pin equi spaziati che puntano verso il basso. I pin sono inseriti all’interno dei fori creati sullo stampato e fuoriescono dall’altro lato dove sono saldati. La spaziatura tra i pin è normalmente di 100mils (1 mils = 0,0254mm). Altre varianti del DIP sono CDIP o SDIP, rispettivamente con case ceramico e plastico. Eistono anche component detti SIP (single in line package) che possiedono sono una fila di pin.

Fig. 8: DIP/DIL Packeage

x PGA, pin grid array. In una PGA i pin sono distribuiti in una griglia quadrata fino a ricoprire un intero lato dell’integrato. Il montaggio sul circuito stampato avviene tramite i fori o mediante l’utilizzo di socket (come quelli su cui vengono montati i processori sulle schede madri dei PC). L’utilizzo dei socket rende immediata la rimozione di questo tipo d’integrati. La griglia con cui sono allineati i pin ha dimensione di 100mils.

Fig. 9: PGA package

TECNOLOGIA SMT

Resistenze e condensatori e transisitor. Hanno dimensioni molto piccole rispetto a quelli THT e vengono distinte in base ad una sigla che corrisponde alla loro dimensione in pollice. Qui sotto vengono riportati alcuni esempi. -0.4mm x 0.2mm (nome 01005), -1.6mm x 0.8mm (nome 0603),

Circuiti integrati x SOIC (small outline integrated circuit). E’ molto più sottile del suo corrispettivo nella

tecnologia DIP. Ha due file di pins che fuoriescono da due lati opposti; il loro orientamento è orizzontale e non più verticale, dal momento che vanno a poggiare sulle pad. La spaziatura tra i pin è di 50 mils e l’altezza dell’integrato è di circa 2mm.

Fig. 10: SOIC Package

x TSOP (thin small outline package). E’ spesso circa 1mm, con spaziature tra i pin che possono arrivare fino a 0.5mm.

Fig. 11: TSOP package, i pin sono molto più piccoli e ravvicinati del SOIC

x SSOP (shrink small outline package) e TSSOP (thin shrink small outline package) sono versioni ancora più piccole e ristrette (shrink) rispetto al package TSOP.

Fig. 12: SSOP e TSSOP package

x QFP (quad flat package) è’ un package con i pin che si estendono lungo i 4 lati. La spaziatura tra i pins varia da 0.4mm a 1mm.

Fig. 13: QFP Package

x QFN (quad flat no leads) E’ un tipo di package che non ha pin, ma sul corpo dell’integrato vi sono delle piccole aree (pad) di materiale conduttore che consentono il collegamento elettrico con il circuito stampato.

Fig. 14: QFN package, si noti l'assenza di pin sostituiti da pad nella parte sottostante ed ai lati del componente

x BGA (ball grid array). Il package di tipo BGA è un tipo di case con la faccia inferiore coperta da una griglia di semisfere di solder. Tali semisfere sono i veri e propri pins del circuito integrato. L’integrato viene poi saldato al circuito stampato dove si trovano delle pad circolari che combaciano con la griglia di semisfere della BGA. Questo tipo di tecnologia permette una forte miniaturizzazione ma richiede macchinari appositi (RX per il controllo della saldatura) che ne fanno levitare il costo di realizzazione.

Fig. 15: BGA package ed immagine radiografica di un componente BGA saldato. Si noti l'errore di saldatura evidenziato.

Un’ulteriore tipologia di componenti è costituita dai chip on board (COB): questi sono chip di silicio privi di package attaccati direttamente allo stampato tramite un composto epossidico. In seguito vengono collegati elettricamente e protetti da una goccia di resina epossidica.

Fig. 16: COB package

PORTATA DELLE PISTE A seconda delle correnti e delle tensioni che dovranno circolare all’interno del circuito, le piste del circuito stampato dovranno avere una precisa dimensione minima. Più alte saranno le correnti (tensioni) maggiori saranno le distanze di isolamento e la larghezza delle piste rispetto al minimo tecnicamente possibile. La tabella sottostante rappresenta la portata delle piste in funzione della loro sezione. §Non sempre è facile scegliere la grandezza delle piste in quanto i dati da tenere in considerazione sono molteplici (temperatura, umidità, tensione, corrente…). Per quanto riguarda la massima corrente sopportabile da una pista, il parametro fondamentale è legato al riscaldamento della pista stessa causato proprio dal passaggio di corrente. Questo riscaldamento dipende dallo spessore delle piste. Se per esempio utilizziamo il classico 35µm, il grafico sottostante mostra la larghezza adeguata in funzione della temperatura raggiunta dalla pista. Se vogliamo quindi che la nostra psta di rame subisca al massimo un innalzamento di temperatura di 10° (da sommare alla temperatura ambiente) e il nostro circuito dovrà supportare correnti di 2 A, la pista dovrà avere uno spessore di 1mm. Questa considerazione vale sia per le piste di segnale che per le piste di alimentazione.

Fig. 17: Esempio di dimensionamento delle piste di rame con spessore 35 µm

Le piste di alimentazione dovranno solitamente supportare correnti maggiori, per tale motivo avranno larghezza maggiore, solitamente da 30 a 60 mils (rispetto ai classici 12 mils per le linee di segnale).

Fig. 18: Tabella per il dimensionamento delle piste

REGOLE PER LO SBROGLIO

Scheda a doppia faccia con componenti SMD

Disposizione Una volta realizzato lo schema elettrico, per realizzare il PCB si deve passare alla disposizione e allo sbroglio dei componenti. La Fig. 19 mostra ciò che appare nel software di routing appena viene caricato il file nello schema elettrico (netlist e lista dei componenti).

Fig. 19: Come appare il PCB quando i componenti non sono stati ancora disposti e lo sbroglio non è ancora stato effettuato.

La prima cosa da fare è la disposizione dei componenti. Si comincia disegnando il perimetro esterno del pcb (secondo le specifiche che dovrà avere la nostra scheda finale: dimensionie forma). Successivamente vengono posizionati i fori di fissaggio della scheda: solitamente vengono disposte agli angoli e uno nella zona centrale. Ad ogni foro viene associata e quindi applicata un’area di keep-out (letteralmente stare alla larga): tale area pone dei vincoli dal momento che non permette il passaggio di piste, espansioni di massa, posizionamento di via, componenti, aree di rame. Tale area viene definita per evitare contatti fortuiti con la testa della vite che dovrà fissare la scheda. Il passo successivo è la disposizione dei componenti nel circuito stampato. Tale disposizione è del tutto temporanea e può subire dei notevoli sconvolgimenti in fase di sbroglio. La principale regola da seguire è quella di ottimizzare al massimo la lunghezza delle piste: è inutile porre due componenti in serie tra loro ad estremità opposte della scheda, bisogna al contrario porli uno accanto all’altro. Per disporre i componenti si parte dallo schema elettrico. Si individua una parte del circuito, ad esempio la zona di alimentazione, e si comincia a disporre i componenti nell’area di lavoro cercando di trovare la disposizione più semplice (cioè quella che permette di sbrogliare senza l’utilizzo di troppi via o di piste eccessivamente lunghe). La parte del circuito sottoposta ad alta tensione (ad esempio la tensione di rete) deve distare almeno 3mm dalla zona a bassa tensione (<30V). Se nello schema elettrico sono presenti amplificatori operazionali collegati assieme ad altri componenti per formare qualche configurazione tipica si cerca di riformare tale gruppo disponendo attorno all’integrato contenente l’operazionale tutti gli altri componenti. I componenti sono posizionati mantenendo un’uniformità di disposizione (tutti i componenti sono disposti verticalmente oppure orizzontalmente), posizionandoli allineati in una griglia (solitamente di 25 mils).

I condensatori di filtro vanno posti il più vicino possibile all’integrato preferendo la vicinanza al pin di alimentazione rispetto che alla massa.

Fig. 20: Esempio di disposizione dei componenti

I connettori solitamente vengono posizionati ai bordi della scheda a seconda del design del package che conterrà il nostro circuito stampato. Se il circuito contiene un microcontrollore, questi verrà posto in posizione centrale dato l’elevato numero di connessioni. Il quarzo e i condensatori che servono per la generazione del clock vanno posti il più vicino possibile ai pin del microcontrollore. Lo stesso vale per i condensatori di filtro che vanno posti vicino ai pin di alimentazione. Una volta posizionati i vari gruppi di componenti (parte di alimentazione, parte di amplificazione, connettori, microcontrollore…) ciò che si ottiene è un risultato simile a quello in Fig. 21. Come si nota le dimensioni della scheda sono molto maggiori rispetto alle reali necessità: questo permetterà di sbrogliare più facilmente il circuito. Durante lo sbroglio la posizione dei componenti verrà rimaneggiata di continuo per permettere una migliore connessione e l’ottimizzazione dello spazio.

Fig. 21: Disposizione dei componenti in base alle loro funzionalità

Sunto delle regole di posizionamento 1. Dimensionare il progetto a seconda della tecnologia di saldatura e alle richieste del cliente

(dimensione e forma); 2. Posizionare i fori di fissaggio con relative zone di keep-out. 3. Separare fisicamente i componenti di alimentazione da quelli analogici e da quelli digitali; 4. Separare i componenti di potenza separati fisicamente da quelli di segnale; 5. Raggruppare i componenti appartenenti allo stesso gruppo di funzionalità (alimenazione,

filtraggio, amplificazione…); 6. Posizionare i componenti fi filtraggio vicino all’integrato a cui “appartengono” preferendo

posizionarli vicino al pin di massa; 7. Orientare i componenti possibilmente nella stessa direzione (posizionandoli allineati in una

griglia (solitamente di 25 mils); 8. Se sono presenti antenne, posizionarle lontano dagli altri componenti ed evitare di tracciare

il piano di massa (espansioni di massa) in loro prossimità; 9. Mantenere una certa distanza tra i vari componenti (8 mm se possibile); 10. I componenti più grandi e con maggior numero di pin vanno posizionati prima degli altri e

solitamente vanno messi centralmente (es. microcontrollore); 11. Se possibile, evitare di porre VIA al di sotto dei componenti. 12. Trimmer e connettori vanno ordinati in modo che siano ai bordi della scheda (a meno di

precise specifiche); 13. Separare i componenti che sviluppano calore dai componenti di precisione. 14. Ottimizzare al massimo la lunghezza delle piste (componenti appartenenti allo stesso gruppo

vengono messi vicini).

Lo sbroglio Prima di iniziare lo sbroglio si definisce lo spessore delle piste, gli isolamenti, il tipo di via e la grandezza dei pad da utilizzare a seconda delle caratteristiche che vengono fornite da chi realizzerà fisicamente il PCB. In tutto il progetto si utilizzerà sempre lo stesso tipo di via in quanto utilizzare diversi tipi di via aumenta il costo finale dello stampato. Per sbrogliare il circuito devono essere seguite alcune regole:

1. Tracciare prime le piste di segnale, poi le alimentazioni e alla fine la/e massa/e. 2. Utilizzare il top layer per lavorare con connessioni orizzontali ed il bottom layer per

connessioni verticali o viceversa. In questo modo i 2 layer vengono usati in modo uniforme. Per passare dal top al bottom utilizzare un via.

3. Le piste normalmente sono tracciate in verticale orizzontale o in diagonale a 45°, non si utilizzano tracce rotonde.

4. Evitare di creare angoli retti e angoli acuti (per possibili problemi di lavorazione), si creano quindi angoli smussati di 45°.

Fig. 22: Non si devono utilizzare angoli retti o acuti per il traccimaneto delle linee

5. E’ preferibile uscire dai pad di forma rettangolare con piste perpendicolari e non diagonali.

Fig. 23: Uscire dali pad a 90°

6. Se si devono cortocircuitare pin dello stesso integrato si utilizza il metodo di Fig. 24 a

sinistra.

Fig. 24: Cortocircuitare più pin di un integrato

7. Evitare di creare grandi aree di rame per collegare pin vicini.

Fig. 25: Evitare grandi aree di rame per collegare pin vicini

8. Evitare collegamenti a T.

Fig. 26: Evitare collegamenti a T

9. Evitare di creare loop, cioè collegamenti a forma circolare; tracciare al massimo una sola traccia tra pads distanti 100 mils.

10. Per piste di alimentazione o che debbano supportare correnti elevate utilizzare più via per passare da un layer all’altro.

11. Non lasciare piste non connesse. 12. Ridurre la lunghezza delle linee il più possibile. 13. Minimizzare il numero di via in modo da non rendere il PCB meccanicamente poco

resistente. Inoltre l’alto numero di via e la variazine di dimensione delle piste creano delle discontinuità che provocano variazioni di impedenza che possono provocare problemi di distorsione sui segnali.

14. Nel caso l’alimentazione sia una componente critica, tracciare prima queste due linee, altrimenti tracciare prima le linee di segnale.

15. Tenere le linee di alimentazione (+ e -) le più vicine possibili per evitare di introdurre disturbi elettromagnetici.

16. 17. Le piste di collegamento del microcontrollore vanno portate verso l’esterno e poi sbrogliate

(l’area in top layer dove andrà montato l’integrato è lasciata libera e utilizzata per l’espansione di massa). In caso di necessità, come ad esempio in mancanza di spazio per lavorare oppure se si devono cortocircuitare 2 pin piuttosto vicini, si può utilizzare anche l’area al di sotto dell’integrato.

Fig. 27: Le piste di collegamento del microcontrollore vanno portate verso l'esterno.

Espansione o piano di massa. Una volta sbrogliate tutte le piste si procede all’espansione (piano) di massa. Il piano di massa è il metodo più semplice per la riduzione dei disturbi; consiste in un’area, il più possibile continua, disposta solitamente nel secondo strato o negli strati intermedi nel caso di circuiti con più di due layer. Il piano di massa riduce i disturbi in quanto aumenta la capacità distribuita su ogni filo riducendo il rumore irradiato; agisce parzialmente da schermo contro i rumori esterni; riduce l’impedenza dei contatti di massa diminuendo il rumore condotto ed aumenta inoltre la resistenza meccanica del circuito. Per la realizzazione si disegna un piano sul layer (normalmente sia top che bottom layer) distante dal bordo della scheda almeno 0.5mm, a causa della lavorazione di tipo meccanico. Questa operazione è chiamata “flood” e consiste nell’espandere la massa in ogni punto della scheda fino alla distanza d’isolamento (precedentemente impostata) dalle altre piste. Normalmente in questa fase i via di massa vengono completamente annegati dall’espansione di massa. Inoltre, dal momento che tale operazione viene realizzata con una griglia di piste di rame, è necessario scegliere la larghezza di tali piste, normalmente 10mils.

Fig. 28: Circuito prima e dopo la realizzazione del piano di massa.

Una considerazione importante quando si utilizza l’espansione di massa è che si dovranno prevedere pad termici. Infatti se i pads fossero annegati nell’espansione di massa si incontrerebbero parecchie complicazioni in fase di saldatura. Per tale motivo i pad saranno collegati al piano di massa da alcune sottili piste di rame (pad termica). Se le espansioni di massa non ricoprono tutte le parti della scheda (a causa di alcune piste che bloccano il fluire della massa) si procede alla modifica in modo da permettere il passaggio della massa in una distribuzione completa e uniforme. Una volta che i piani di massa vengono generati sui diversi layer questi devono essere connessi mediante via. È preferibile utilizzare più via per queste connessioni posizinate negli angoli e in presenza di grandi aree di massa su lati opposti. Nel caso il circuito contenga sia una parte analogica che una parte digitale è preferibile separare sia i due piani di massa che il posizionamento dei gruppi di componenti. In tale modo si evita che lo switching della parte digitale (tra 0 e 1 Æ 0V – 3,3 o 5V per esempio) provochi dei disturbi sulle linee analogiche. I due piani di massa verrano poi collegati insieme in almeno un punto in modo da portarli allo stesso potenziale.

Posizionamento dei fiducials (opzionale per la saldatura automatica) Nel caso la saldatura debba essere fatta automaticamente l’ultimo passo è quello della creazione sul pcb dei fiducials, una piccola superficie di rame di forma circolare. Posti di solito all’estremità della diagonale della scheda, servono come riferimento (coordinate x-y) durante la fase di montaggio componenti. Sono necessari almeno 2 fiducials su ogni lato del pcb dove sono presenti componenti SMD.

Serigrafia e schema di montaggio dei componenti. Per completare il progetto possono essere aginte delle serigrafie, ovvero le scritte e la forma che andranno a identificare i componenti sulla scheda. Normalmente la serigrafia ha uno spessore di 8 mils. Anche la disposizione delle scritte serigrafiche segue alcune regole pratiche:

1. Il posizionamento delle scritta non deve avvenire nelle zona sottostante il componente poiché verrebbe da esso coperta.

2. La posizione della scritta deve essere il più possibile vicino al componente cui fa riferimento.

3. Le scritte dovrebbero essere disposte in maniera piuttosto omogenea (ad esempio tutte in orizzontale o verticale) e, se possibile, posizionate dallo stesso lato per ogni componente.

4. Nel caso non sia possibile in nessun modo trovare il posto per la scritta del componente, questa viene rimossa

5. Le scritte non devono provocare problemi di identificazione di un componente.

Fig. 29: Esempio di serigrafia di un PCB

SCHEDA MULTI STRATO CON COMPONENTI SMD

Disposizione Le schede multi-layer vengono utilizzate nei casi in cui si ha una densità di componenti molto elevata. Il posizionamento di questi componenti è del tutto simile al caso singola-faccia e doppia-faccia, ma richiede particolari accortezze. Nel caso la scheda presenti più alimentazioni di diversa tensione, in fase di disposizione dei componenti è buona norma quella di raggruppare il più possibile i componenti collegati alla stessa alimentazione, cercando di non avere un componente collegato ad una alimentazione circondato da componenti di un’altra alimentazione. I componenti con pin passanti (THT, connettori) devono essere posti in zono a lato e raggruppati in modo da non interrompere in maniera eccessiva i layer interni e limitare il posizionamento dei componenti sulle due facce. Il numero di via deve essere limitato per evitare cntinue discontinuità nei leyaer interni.

Sbroglio Come per il caso double-layer, prima di iniziare lo sbroglio di devono definire le varie dimensioni (larghezza delle piste, isolamenti…). Nel caso multistrato la dimensione delle piste di alimentazione risulterà inferiore rispetto al caso precedente in quanto in questo caso sono presenti i layer interni (due dei quali solitamente preposti per le alimentazioni). Le piste di alimentazione saranno quindi poche e brevi con un risparmio di spazio notevole e una semplificazione notevole dello sbroglio.

1. In questo caso si parte sempre dallo sbroglio delle linee di segnale. Vengono quindi seguite le stesse regole illustarte nel capitolo precedente.

2. Una volta sbrogliate tutte le linee di segnale si procede con lo sbroglio delle alimentazioni. Per prima cosa si disegnano i layers interni: per la massa si crea un unico piano continuo, il piano di alimentazione invece dovrà essere suddiviso in più parti, ciascuna dedicata ad una alimentazione. Se la precedente disposizione dei componenti è avvenuta in

maniera ottimale la creazione dei distinti piani di alimentazione separati risulterà semplificata. Ogni piano di alimentazione verrà a trovarsi al di sotto delle zone del circuito che avrà la stessa alimentazione. Una volta creati i layers interni si procede nel seguente modo: appena usciti dalla pad del componente si utilizza un via che andrà a collegarsi al corrispettivo layer. Per componenti non di tipo SMD, o in generale componenti che sono saldati alla scheda attraverso foro passante, non occorre nemmeno applicare un via (il foro collega già il pin del componente al corretto layer interno).

Espansione (paini) di massa e posizionamento dei fiducials. Se richiesto si creano le espansioni di massa in top layer e bottom layer e si posizionano dei vias di cortocircuito tra le espansioni di massa in top e bottom layer. Alla fine si posizionano i fiducials: due sul top layer e due sul bottom layer.

Fig. 30: Esempio di PCB con quattro strati

SCHEDA CON CIRCUITO INTEGRATO CON PACKAGE BGA. Le dimensioni della BGA, il numero e la disposizione delle balls influiscono sul numero di layers della scheda. In ogni caso un valido aiuto si trova nei datasheets, dove normalmente è specificato il numero di layers necessari e, qualche volta, vi si trovano suggerimenti di sbroglio. Il passo e il diametro delle balls influiscono sul tipo di vias e sulla larghezza delle piste. I collegamenti elettrici influiscono pesantemente sulla complessità o facilità di sbroglio.

Disposizione Le regole da seguire per la corretta disposizione dei componenti sono le seguenti:

1. I componenti attorno alla BGA (resistenze, array di resistenze, quarzi, condensatori…) devono essere posti ad una distanza minima di alcuni millimetri (circa 3 mm) dalla BGA stessa. Questo deve essere fatto dal momento che la saldatura di una BGA può avvenire per riscaldamento con una lampada a infrarossi e si preferisce evitare di indurre altri stress i componenti circuitali.

2. I condensatori di filtro non possono essere montati sullo stesso lato della BGA (perché non possono essere posti vicino alle balls), per cui vanno montati sul lato opposto in corrispondenza delle balls di alimentazione.

3. I condensatori di filtro sono posizionati preferibilmente nella zona sotto la BGA priva di balls; al di sotto delle balls invece si cerca di mantenere una certa area libera per poter posizionare i vias

Sbroglio. Le seguenti sono le regole da seguire in fase di sbroglio:

1. Masse e alimentazioni vanno collegate ai layers (normalmente 2) di alimentazione e massa; nel caso di più alimentazioni, in cui le balls non siano ben raggruppate, si deve procedere con lo sbroglio oppure con l’inserimento di layers di alimentazione aggiuntivi.

2. Per le piste di segnale si procede così: a. le prime due file di balls vengono sbrogliate in top; b. le altre file di balls vengono sbrogliate con l’utilizzo dei layers di segnale interni o

del lato bottom per poter uscire dalla BGA e, in seguito, cambiare layer. Si parte tracciando le piste in top delle due file di balls più esterne della BGA. Nel caso in cui in queste due file vi sia qualche balls inutilizzata può essere possibile sbrogliare parte della 3° fila di balla utilizzando il top layer.

PISTE PATICOLARI In particolari casi le piste di segnale devono avere caratteristiche ben precise. I segnali differenziali di porte USB ed ethernet vanno trattati in modo particolare. Sono segnali che hanno impedenza controllata e caratteristica. Per la porta USB tale valore è 90:, per la ethernet 100:. Le piste differenziali vanno tracciate in modo che siano parallele fra loro ad una distanza sempre costante, inoltre sono da evitare (come per le altre piste) gli angoli retti. La lunghezza complessiva delle due piste differenziali deve essere la stessa. Per ottenere l’impedenza adeguata si deve agire sulla larghezza e sulla distanza tra le piste differenziali. Per ottenere il valore di Zdiff è necessario calcolare per prima Z0 cioè impedenza caratteristica di una pista:

Nella formula le variabili hanno il seguente significato: H: distanza dalla pista dal plane layer

H r: costante dielettrica relativa del materiale di cui è fatto lo stampato (questo valore dipende dalla frequenza) W: larghezza della pista T: spessore della pista L’impedenza differenziale è data dalla formula:

dove le variabili hanno il seguente significato: Z0 : impedenza caratteristica di una singola pista H: distanza della pista dal plane layer S: distanza tra le piste

EQUALIZZAZIONE Può capitare per quanto riguarda circuiti digitali cha facciano uso di microcontrollori e memorie di avere a che fare con line di trasmissione di dati (BUS). Queste linee devono essere equalizzate in quanto ogni pista ha una capacità parassita che introduce ritardi nella propagazione dei segnali che comandano la memoria ed il micro. Per frequenze di lavoro basse (fino a qualche MHz) i ritardi sono trascurabili (nell’ordine di decimi di nanosecondo). Se la frequenza di lavoro raggiunge le centinaia di MHz i ritardi non sono più trascurabili e l’equalizzazione diventa obbligatoria. Equalizzare significa rendere le piste (tutti i segnali di controllo, data, indirizzi tra memoria e micro) di uguale lunghezza così che da rendere pressoché uguale per tutte le linee il ritardo introdotto. La tecnica che si utilizza è la seguente:

1. Individuare la pista più lunga 2. Allungare le altre linee con delle S o serpentine in modo che raggiungano la stessa

lunghezza 3. Se una linea è stata sbrogliata a T perché connessa per esempio con due diversi moduli di

memoria, i rami della T devono avere la stessa lunghezza. Gli isolamenti che devono essere inseriti tra linee dello stesso bus devono essere il doppio del normale, mentre quelle tra bus diversi sono il triplo. Se piste dello stesso bus sono parallele per lunghi tratti possono sorgere fenomeni di crosstalkin. Per evitare qyesto fenomeno le piste devono essere tracciate formando delle piccole deviazioni (Fig. 31). Inoltre è preferibile che linee dello stesso bus su layer adiacenti siano poste in modo che scorrano in sensi differenti per evitare fenomeni di accoppiamento.

Fig. 31: Linee di BUS con deviazioni per evitare crosstalk

FILE DI USCITA. Terminata la realizzazione del PCB in ambiente software si vanno a creare dei files che verranno utilizzati per la realizzazione vera e propria della scheda. Questi ultimi contengono tutte le informazioni di cui necessita l’azienda produttrice di stampati. Tali files sono chiamati files Gerber e contengono una descrizione, in un apposito formato, dell’immagine, in due dimensioni, rappresentante un layer. Ogni programma di progettazione per stampati può generare i files in questo formato in quanto tutte le macchine fotoplotter ne riconoscono il formato. Il file è di tipo testo, consiste in un insieme di righe che rappresentano coordinate X-Y con l’aggiunta di alcuni comandi che definiscono l’inizio, la fine e la forma delle figure. In aggiunta contengono anche la forma e la grandezza delle linee e dei fori. Uno di questi files è necessario per ogni layer, e in aggiunta se ne utilizzano altri per foratura, la pasta saldante (top e bottom), la serigrafia (top e bottom) e il solder resist (le zone della scheda non ricoperte dalla resina protettiva verde). Non vi è modo di inserire in un file Gerber informazioni circa il layer che rappresenta, perciò tale informazione viene inserita direttamente nel nome del file o, molto più comunemente, nella sua estensione. Ecco le estensioni dei files citati prima: - GBL - Gerber Bottom Layer, - GTL - Gerber Top Layer, - GBS - Gerber Bottom Solder Resist (zone dello stampato non ricoperte dalla resina verde), - GTS - Gerber Top Solder Resist, - GBO - Gerber Bottom Overlay (serigrafia), - GTO - Gerber Top Overlay, - GBP - Gerber Bottom Paste (pasta saldante), - GTP - Gerber Top Paste, - GPT - Gerber Top Pad Master (pad dei componenti SMD), - GPB - Gerber Bottom Pad Master.

Generazione di file gerber con Eagle Cadsoft Di seguito viene riportata una breve guida per la generazione di file Gerber a partire da un file .brd di eagle.

1. Aprire il file brd già disposto e sbrogliato 2. Generare la tavola di riferimento per le forature. Questa operazione può essere fatta in due

modi: a. Scrivendo il comando run drillcfg sulla linea di comando; b. Cliccando sull’icona che permette la selezione in modo visuale del file drillcfg.ulp

Fig. 32: Icona drillcfg.ulp

3. Selezionare l’unità di misura per la tavola di foratura (inch o mm) 4. Salvare il file in una directory a scelta. 5. Generare il file di foratura selezionando:

a. CAM processor

Fig. 33: Icona CAM processor

b. Selezionare dal menù File la voce Open e quindi Job per generare il file di foratura in formato Excellon.

c. Selezionare il file excellon.cam d. La pagina che si presenta permetterà di selezionare alla voce “Rack” il file

contenente la tavola di riferimento per le forature appena generata al passo 4. Per il resto il comando “Process Job” generera’ il file di foratura con estensione “.drd”.

6. Generare il file gerber selezionando CAM processor ed ancora File, Open, Job 7. Selezionare il file .cam precedentemente scaricato dal produttore che andrà a realizzare il

circuito stampato. 8. La finestra che si apre permette di modificare le caratteristiche relative a:

a. Lato componenti (file gtl)

b. Lato saldatura (file gbl) c. Serigrafie (file gto) d. Maschera solder su lato componenti (file gts) e. Maschera solder su lato saldatura (file gbs) f. Dimensioni meccaniche della scheda (file gko) Al termine della configurazione premere il tasto Process Job.

Fig. 34: File generati

La Fig. 34 mostra i file generati. Molti produttori richiedono di rinominare il file con specifiche estensioni proprietarie della macchine che andranno ad utilizzare.

BIBLIOGRAFIA Clyde F. Coombs, Jr., (2008), Printed Circuits Handbook, Sixth Edition. McGraw-Hill