La progettazione di circuiti stampati (PCB) è un’arte complessa che richiede competenza, pazienza e una buona conoscenza delle sfide che possono sorgere nel processo. In questo articolo, esploreremo le 10 sfide più comuni che i progettisti di PCB affrontano e forniremo suggerimenti su come superarle.
1. Dimensioni e densità dei componenti
Man mano che i dispositivi elettronici diventano sempre più piccoli e compatti, la miniaturizzazione dei componenti e la maggiore densità possono complicare il layout del PCB.
Per superare questa sfida, utilizza strumenti CAD avanzati e tecniche di routing ad alta densità come micro-vie e blind/buried vias. Questo ti permetterà di ottimizzare lo spazio sul PCB e garantire che tutti i componenti siano collegati correttamente.
Inoltre, considera l’utilizzo di componenti a montaggio superficiale (SMD) anziché componenti through-hole (THT) per ridurre ulteriormente le dimensioni e migliorare la densità del layout.
2. Gestione del calore
I PCB possono surriscaldarsi a causa della dissipazione di potenza dei componenti. Un eccessivo calore può danneggiare i componenti e ridurre le prestazioni del circuito.
Per affrontare questo problema, progetta piste più larghe per consentire una migliore dissipazione del calore, utilizza materiali termicamente conduttivi come l’alluminio e posiziona i componenti dissipatori di calore in modo strategico per ridurre al minimo l’accumulo di calore.
Altre soluzioni possono includere l’uso di strati di rame spessi per migliorare la conduzione termica e l’integrazione di sistemi di raffreddamento attivi, come ventole o dissipatori di calore con alette, per mantenere la temperatura del PCB sotto controllo. In alcuni casi può essere utile adottare delle strategie di dissipazione del calore mirate al caso d’uso specifico.
Alcuni approfondimenti
Disperdere il calore per migliorare l’efficienza: i dissipatori
La gestione termica dovrebbe essere effettuata immediatamente, in fase di progettazione della scheda, e non dopo.
Ecco una panoramica completa sull’utilizzo e la scelta dei dissipatori di calore.
Migliorare la dissipazione termica con la tecnologia Copper Coin
Recentemente, è stata sviluppata una tecnica in grado di ottenere una dissipazione del calore più efficiente tramite sostituzione dei vias termici con blocchi di metallo (comunemente detti “coin” per la tipica forma che assomiglia a una monetina) in grado di incrementare significativamente la quantità e quindi la superficie di materiale conduttivo.
3. Interferenza elettromagnetica (EMI)
L’EMI può compromettere le prestazioni del circuito, causando problemi come disturbi al segnale e malfunzionamenti dei componenti. Per ridurre l’EMI, separa i segnali ad alta frequenza da quelli a bassa frequenza, usa piste schermate e coplanari e aggiungi filtri EMI dove necessario.
Assicurati di seguire le linee guida sullo schermaggio e sulla massa (GND) per limitare ulteriormente le interferenze. Puoi anche considerare l’utilizzo di tecniche di progettazione come il Power Integrity (PI) e il Signal Integrity (SI) per analizzare e ottimizzare il comportamento elettrico del tuo PCB in presenza di EMI.
4. Impedenza e adattamento
L’impedenza non corretta può causare riflessioni del segnale e perdita di potenza, influenzando negativamente le prestazioni del circuito. Per risolvere questo problema, calcola accuratamente l’impedenza delle piste e utilizza terminazioni adatte per minimizzare le riflessioni.
Inoltre, considera l’uso di simulazioni per verificare l’adattamento dell’impedenza prima della produzione. L’utilizzo di software di simulazione elettromagnetica, come i simulatori di campo elettromagnetico (EM) e gli strumenti di analisi del segnale, può aiutarti a prevedere e risolvere problemi di impedenza prima che diventino critici.
Alcuni approfondimenti
Analisi del PCB
A seconda dell’applicazione, le diverse tipologie di substrato possono influire diversamente sui risultati finali. Non si può realizzare un circuito stampato ideale o perfetto in quanto ogni scheda elettronica esegue una univoca tipologia di lavoro, secondo le necessità elettriche e alle prestazioni richieste.
Specialmente per le alte frequenze è importante seguire criteri ben specifici, poiché le capacità parassite e le impedenze distribuite giocano un ruolo determinante.
Elettronica di Potenza nei PCB
Per le applicazioni elettroniche di potenza la gestione del calore generato dalla scheda o “Thermal Management” è l’aspetto tecnico più caratteristico nelle valutazioni di schede elettroniche (PCBA) e circuiti stampati (PCB)
I progettisti di schede elettroniche devono conoscere i molti aspetti caratteristici che questa materia contiene iniziando appunto da una corretta progettazione del PCB.
5. Stack-up dei PCB multistrato
La disposizione degli strati nei PCB multistrato può influenzare la performance del circuito, la gestione del calore e l’immunità alle interferenze elettromagnetiche. Per ottimizzare lo stack-up, bilancia la distribuzione del segnale e la massa elettrica e posiziona gli strati di alimentazione e terra in modo appropriato.
Prendi in considerazione l’uso di strati di preimpregnato per migliorare la stabilità termica e la resistenza meccanica del PCB. Consulta i produttori di PCB per ottenere informazioni sulle loro capacità e sulle migliori pratiche per la configurazione dello stack-up.
6. Integrità del segnale
Distorsioni, rumore e jitter possono influire sull’integrità del segnale, causando errori di comunicazione e malfunzionamenti del circuito. Per migliorare l’integrità del segnale, riduci la lunghezza delle piste, minimizza le disuguaglianze di lunghezza e utilizza terminazioni di segnale.
Inoltre, considera l’uso di tecniche di routing differenziale per ridurre il rumore elettromagnetico e migliora la massa (GND) del circuito per limitare il jitter. L’analisi del segnale e la simulazione dei sistemi digitali possono essere utilizzate per identificare e risolvere problemi di integrità del segnale prima che influenzino le prestazioni del circuito.
7. Testabilità
PCB non testabili possono causare ritardi e costi aggiuntivi a causa di errori di produzione e problemi di funzionamento. Per migliorare la testabilità, inserisci punti di test accessibili, utilizza il boundary scan e progetta il circuito tenendo in considerazione le procedure di test.
L’implementazione di un piano di test ben definito e l’utilizzo di attrezzature di test automatico (ATE) possono aiutare a identificare rapidamente e risolvere i problemi.
8. Produzione e assemblaggio
Problemi di produzione possono portare a PCB difettosi, causando ritardi e aumentando i costi. Per evitarli, segui le linee guida del produttore, utilizza materiali e processi di produzione di qualità e verifica le regole di progettazione (Design for Manufacturing, DFM).
Assicurati di comunicare con i produttori durante l’intero processo di progettazione e produzione per garantire che il PCB sia realizzato secondo le specifiche e per ridurre al minimo gli errori. L’adozione di una mentalità “Design for Assembly” (DFA) può anche migliorare l’efficienza del processo di assemblaggio, riducendo ulteriormente i costi e i tempi di produzione.
Alcuni approfondimenti
I file Gerber: un passo obbligatorio per la produzione dei PCB
Il formato Gerber è una tipologia di documento ASCII che contiene tutte le informazioni sul PCB: fori, pad, maschere, piste, loghi, serigrafie e molto altro. Sono sempre più i software di sbroglio che mettono a disposizione tale tipologia di esportazione.
Questi files, una volta prodotti dal proprio software, devono essere inviati alle aziende di PCB. Lo standard preferito è l’RS-274X. Esso contiene una sequenza di oggetti grafici che descrivono, alla perfezione, il circuito stampato in tutte le sue componenti.
Nuove possibilità di progettazione con i circuiti stampati flessibili e rigidi-flessibili
La miniaturizzazione sempre più spinta di componenti e circuiti elettronici ha favorito lo sviluppo di applicazioni in settori prima impensabili con la diffusione di nuovi dispositivi sempre più pervasivi.
Una delle tecnologie chiave coinvolta in questa evoluzione dell’elettronica è relativa alla realizzazione di circuiti stampati che possano adattarsi allo spazio dove saranno impiegati e che quindi devono essere flessibili o rigidi-flessibili.
9. Affidabilità
L’affidabilità del PCB è cruciale per garantire la durata del prodotto e la soddisfazione del cliente. Per migliorare l’affidabilità, scegli materiali di alta qualità, presta attenzione alla tolleranza dei componenti e implementa protezioni contro sovraccarichi e cortocircuiti. Inoltre, esegui test di affidabilità, come test di temperatura, umidità e vibrazione, per assicurarti che il PCB sia in grado di resistere alle sollecitazioni a cui verrà sottoposto durante il suo ciclo di vita.
L’adozione di approcci come il Design for Reliability (DFR) e l’analisi dei guasti e degli effetti (FMEA) può aiutare a identificare e mitigare i rischi di guasto nel progetto del circuito.
10. Conformità alle normative
I PCB devono rispettare standard come RoHS, REACH e altri requisiti di sicurezza per garantire la sicurezza dei consumatori e l’accesso ai mercati internazionali. Per assicurare la conformità, verifica le specifiche dei materiali e dei componenti e documenta adeguatamente il processo di progettazione e produzione.
Collabora con i produttori e i fornitori per garantire che tutti i materiali e i processi utilizzati siano conformi alle normative vigenti. Mantenere la conformità ai requisiti normativi può aiutare a prevenire ritardi nella commercializzazione e potenziali multe o sanzioni.
Rispettare le normative standard nel settore dei PCB è fondamentale per garantire la qualità, la sicurezza e la conformità dei prodotti elettronici. Questi standard, come quelli stabiliti dall’IPC (Association Connecting Electronics Industries) e dall’IEC (International Electrotechnical Commission), forniscono linee guida dettagliate e requisiti per la progettazione, la produzione, l’assemblaggio e il test dei PCB. Alcuni esempi di standard comuni includono IPC-2221, IPC-6012 e IEC 61010. Seguendo questi standard, i progettisti e i produttori di PCB possono evitare molti problemi associati all’affidabilità, all’integrità del segnale e alle interferenze elettromagnetiche, garantendo al contempo la conformità alle normative internazionali in materia di sicurezza e ambiente, come RoHS e REACH. Inoltre, l’adozione di tali normative consente di ridurre il rischio di richiami di prodotti e sanzioni legali, garantendo la soddisfazione del cliente e la reputazione dell’azienda nel mercato globale.
In conclusione, affrontare queste 10 sfide comuni nella progettazione di PCB può migliorare la qualità, l’affidabilità e le prestazioni del prodotto finale. Collaborando strettamente con i produttori, i fornitori e gli esperti del settore, i progettisti di PCB possono superare queste sfide e creare circuiti stampati di alta qualità che soddisfino le esigenze dei clienti e rispettino le normative vigenti. Continuare a rimanere aggiornati sulle ultime tendenze e innovazioni nel campo della progettazione di PCB può anche aiutare a mantenere un vantaggio competitivo e garantire il successo a lungo termine nel settore dell’elettronica.
