Nozioni di Base sui PCB (Parte Terza)

TERMINOLOGIA IN AMBITO PROGETTAZIONE PCB

Dopo aver discusso a grandi linee cosa sia e quale è la struttura di un PCB, in questa terza ed ultima parte dell’articolo, introduco di seguito la terminologia principale che è alla base della progettazione dei circuiti stampati, ed in cui è possibile incorrere a qualunque livello in cui si operi in ambito industriale, quando si ha a che fare con i PCB.

Piazzola (Annular ring)

Rappresenta l'anello di rame che circonda un foro passante che può essere stagnato o placcato in un PCB (Figura 10).

Figura 10 - Esempi di piazzole su PCB per componenti through hole.

DRC (Design Rule Check ovvero Controllo delle Regole di Progettazione)

Il Design Rule Checking (DRC) è una potente funzionalità automatizzata che verifica l'integrità logica e fisica di un progetto. I controlli vengono effettuati rispetto a qualsiasi o a tutte le regole di progettazione abilitate, e possono essere effettuati online, in tempo reale durante la progettazione o come processo batch, con i risultati elencati nell’ eventuale pannello messaggi del software con un report (opzionale) generato. Questa funzione dovrebbe essere utilizzata su ogni scheda progettata, in quanto serve per verificare che sono state mantenute le regole dimensionali minime e che non ci sono altre violazioni del progetto di tali regole. In particolare è sempre raccomandato di eseguire un controllo delle regole di progettazione in modalità batch prima di generare il lavoro finale (Figura 11).

Figura 11 – Esempio di configurazione del DRC in ALTIUM Designer ®.

Errori nella foratura

Rappresentano quegli errori nella foratura delle piazzole relative ai fori di passaggio dei componenti o dei connettori. Purtroppo questo problema di asse risulta essere molto comune nella fabbricazione dei PCB (Figura 12).

Figura 12 – Esempio evidente di errori di asse nella foratura delle piazzole.

Finger

Reofori di rame o placcati in metallo che si trovano a vista lungo il bordo di un circuito stampato, utilizzati per creare un collegamento tra due circuiti stampati. Esempi comuni sono lungo i bordi delle schede di espansione del computer o delle schede di memoria, oppure nelle cartucce delle vecchie console dei videogiochi.

Figura 13 – Esempio Finger di una scheda di memoria.

Mouse bites

I Mouse bites, letteralmente ”morsi del topo”, chiamati anche “linguette perforate a strappo” o “Break off”, sono dei bordi taglienti ovvero ciò che rimane dopo la de-pannellizzazione quando i PCB vengono prodotti in serie in un pannello unico. Queste linguette a strappo sono una linea di piccoli fori in una scheda PCB, simili ai fori intorno ai francobolli, che permettono di mettere insieme più PCB in un array di produzione. La perforazione con i Mouse bites è un processo standard per i pannelli PCB FR4. La perforazione di questi fori lascia dei bordi ruvidi di materiale extra rimanente, che sporge lateralmente (Figura 14).

Figura 14 – Esempio di Mouse bites con ALTIUM Designer ®.

Esiste anche una creazione di array di PCB che permette una separazione degli stessi più raffinata ed è quella con scanalatura a “V”, chiamata "V-groove" o "V-scored", che presenta un bordo liscio (in Figura 15 è possibile vedere la differenza tra le due tipologie ed il taglio risultante).

Figura 15 – Differenza tra V-Groove e Mouse Bites.

Lo scopo dei "Mouse Bites" è quello di migliorare la presa dei PCB quando vengono montati in serie. Se si ha bisogno di un bordo finale del PCB senza sbavature, ad esempio per far scivolare il PCB finale in una fessura di una scanalatura, allora vanno svasate la fila di fori del “Mouse Bites” e ciò può implicare una lavorazione successiva. I "Mouse Bites" risultano essere economici per la separazione a mano, ma più costosi nella loro realizzazione, in quanto richiedono l’esecuzione di più fori e quindi un tempo macchina superiore rispetto alla lavorazione ”V score”. Per una migliore separazione meccanica senza sbavature, la lavorazione “V score”, risulta da preferire a patto di rispettare la corretta angolazione della tracciatura del “V Groove” (Figura 16).

Figura 16 – Angolo ottimale per una corretta tracciatura “V Groove”.

Se si sta eseguendo il “paneling” di singoli PCB all'interno di un’unica scheda in produzione, è sufficiente eseguire il “Mouse bites” nel bordo esterno dei vari PCB periferici, ma per ogni PCB all’interno, è necessario eseguire i “Mouse Bites” su entrambe i lati delle schede collegate (Figura 17).

Figura 17 – Processo di Paneling di più PCB con il “Mouse Bites”.

Un aspetto importante nella lavorazione “Mouse Bites” è quello di avere un bordo pulito dopo la rimozione della linguetta di distacco. Un leggero inserto di perforazione è preferibile perché fornisce un bordo che richiede poco o niente lavoro aggiuntivo per la pulizia. Il posizionamento degli inserti di perforazione devono essere scelti opportunamente (Figura 18).

Figura 18 – Posizionamento inserti di perforazione “Mouse Bites”.

La distanza tra le linguette perforate a strappo può variare da 60 mm a 90 mm, ma raccomando di non superare i 100 mm da centro a centro come mostrato in Figura 19, distanziandole in modo uniforme.

Figura 19 – Posizionamento inserti di perforazione “Mouse Bites”.

Pad

una porzione di metallo esposto (cioè non coperto) sulla superficie di una scheda PCB a cui è saldato un componente (Figura 20).

  

Figura 20 – PAD stagnati o placcati a foro passante a sinistra, PAD SMD (Surface Mount Device) a destra.

Pannello

Un circuito stampato più grande composto da molte schede più piccole che si separeranno meccanicamente in un passaggio successivo. Le apparecchiature automatizzate per la manipolazione di circuiti stampati hanno spesso problemi con le schede più piccole, pertanto si preferisce aggregarle in più schede insieme in una sola volta, affinché il processo possa essere accelerato in modo significativo (Figura 21).

Figura 21 – Esempio di pannello di schede aggregate.

Maschere per saldatura (Solder paste stencil)

Uno stencil sottile, di metallo (o a volte di plastica) che giace sopra la scheda, che permette di depositare la pasta per saldatura in aree specifiche durante l'assemblaggio (Figura 22).

Figura 22 – Esempio di Solder paste stencil.

Sebbene le maschere in poliammide siano ottimi per molti progetti, hanno una durata di vita di qualche decina di utilizzi e possono essere facilmente danneggiati da una manipolazione disattenta e quindi possono essere usati solo per uso hobbistico o per piccole serie. Lo standard industriale per le maschere per saldatura è in realtà l'acciaio inossidabile. Queste risultano essere più durevoli e più precise della poliammide, ma il prezzo li ha messi fuori dalla portata degli hobbisti e di altri utenti con produzioni di basso volume.

Pick and place

Rappresenta la macchina o il processo attraverso il quale i componenti vengono posizionati su un circuito stampato (Figura 23 presa da (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pick_and_place_internals_of_surface_mount_machine.JPG ).

Figura 23 – Tipica macchina Pick and place. 

Piano di massa

Il piano di massa (o Piano di terra anche detto “Ground plane”) su un circuito stampato è tipicamente una grande area di metallo collegata alla terra del circuito. Questa area di metallo è a volte solo una piccola porzione della scheda, o in un progetto multistrato può essere costituita da un intero piano di scheda. A seconda delle esigenze del progetto, può anche occupare più strati (Figura 24).

Figura 24 – Piano di massa su un PCB. 

Il piano di massa serve a tre importanti scopi in un circuito stampato:

• Ritorno di tensione: la maggior parte dei componenti del PCB si collegherà ad una rete di alimentazione, e poi la tensione di ritorno tornerà attraverso la rete di terra. Su schede con solo uno o due strati, le reti di terra di solito devono essere instradate usando tracce più ampie. Tuttavia, dedicando un intero strato al piano di massa in una scheda multistrato, si semplifica il collegamento di ogni componente alla rete di terra.
• Ritorno del segnale: anche i segnali devono avere un ritorno a massa, e con i progetti ad alta velocità è molto importante che abbiano un chiaro percorso di ritorno sul piano di massa. Senza questo chiaro percorso di ritorno questi segnali possono generare molte interferenze per il resto della scheda.
• Ridurre il rumore e le interferenze: con l'aumento della velocità del segnale, ci sono più stati di commutazione dei circuiti digitali. Questo crea impulsi di rumore attraverso il circuito di terra che possono influenzare altre parti del circuito. Un piano di massa con la sua ampia area di conduzione aiuta a ridurre la quantità di questo disturbo perché ha un'impedenza inferiore rispetto a quella che si avrebbe se la rete di terra fosse instradata attraverso una singola traccia.

Pianificando attentamente la configurazione dello “stackup” (sovrapposizione) degli strati di un circuito stampato multistrato, il progettista di PCB può utilizzare piani di terra per aiutare a controllare le prestazioni elettriche della scheda. Utilizzando un piano di massa tra due strati di segnali attivi, la diafonia tra i segnali su questi strati può essere eliminata, e facendo in modo che ci sia un percorso di ritorno del segnale ininterrotto sul piano di terra, l'integrità del segnale delle linee di trasmissione ad alta velocità può essere migliorata. I piani di terra sono spesso collegati anche a componenti che si surriscaldano per aiutare a dissipare il calore e quindi possono essere utilizzati anche come dissipatori.

Come ho detto, un piano di terra può essere un'area designata di metallo su uno strato di un circuito stampato, oppure può occupare l'intero strato stesso. Il modo in cui ciò viene fatto dipende dal tipo di sistema CAD per la progettazione del PCB che si sta utilizzando. La maggior parte dei sistemi CAD danno la possibilità di disegnare un piano di massa in modo che appaia come un solido pezzo di metallo, e si può designare qualsiasi rete per un piano sia esso di terra, di potenza, o qualcosa di diverso. I vecchi sistemi CAD usati per creare questi piani sfruttavano un sistema ad “immagine negativa”, in quanto questo richiedeva meno potenza di calcolo, in pratica il piano designato si ricavava in negativo da quello che costituiva il resto dei collegamenti. Ma con l’aumento delle capacità computazionali dei computer, la maggior parte dei progettisti di PCB preferisce oggi disegnare i piani in “positivo”, cioè direttamente senza ricavarli come detto sopra.

Il progettista di PCB disegnerà l'area per l'alimentazione o il piano di massa sullo strato designato nella forma che desidera. Su uno strato interno della scheda questo è di solito l'intero strato, mentre sugli strati esterni della scheda sono spesso aree più piccole che servono per la manutenzione di componenti specifici o gruppi di componenti. In alcuni casi il progettista può dividere il piano su uno strato interno. Questo può rivelarsi molto utile quando si taglia il numero di strati con cui verrà realizzato il PCB.  Di solito un piano di divisione viene fatto per le reti di alimentazione, tuttavia, il piano di terra rimane uno strato completo che aiuta a migliorare l'integrità del segnale ed eliminare il rumore e le interferenze.

Quando il piano viene disegnato dal progettista di PCB, gli strumenti CAD creano automaticamente una connessione per i pin dei componenti che si trovano all'interno dei contorni del piano. Questa connessione è un “rilievo termico”, o una “connessione diretta” (flood). I rilievi termici sono piccoli spazi vuoti nel piano intorno al perimetro del foro utilizzato per un pin passante. Senza un rilievo termico, l’eventuale reoforo passante sarebbe collegato direttamente al piano che fungerebbe da enorme dissipatore di calore rendendo difficile la saldatura (o la dissaldatura!). Con il rilievo, tuttavia, la parte può essere saldata e dissaldata molto più facilmente. Tutti gli altri fori, come i vias (che vedremo in seguito), avranno normalmente un collegamento diretto al piano (Figura 25).

Figura 25 – Piano di massa con rilievo termico realizzato con ALTIUM Designer ®. 

Foro passante

Un foro passante su un PCB ha un anello anulare generalmente stagnato o placcato fino all’interno del foro e che arriva dall’altro lato del PCB. Può essere un punto di connessione per un componente di tipo “through hole” cioè con foro passante, un foro per il passaggio di un segnale (in tal caso si chiama “Vias” che definirò di seguito) o un foro di montaggio per un connettore o reoforo qualsiasi (Figura 26).

Figura 25 – Tipici fori passanti per componenti through hole

Pogo Pins & Probes

Contatto a molla utilizzato per effettuare un collegamento temporaneo a scopo di prova, di test o di programmazione.

Figura 26 – Tipologie di Pogo pin usati su schede in test

Reflow

Fusione della saldatura per creare collegamento tra le piste conduttrici del PCB che collegano i vari componenti e connettori.

Serigrafia

Le lettere, il numero, i simboli e le immagini su un circuito stampato. Di solito è disponibile un solo colore, e la risoluzione è di solito abbastanza bassa (Figura 27).

Figura 27 – Serigrafia su PCB

Fessura

Qualsiasi foro in una tavola di circuito stampato che non sia rotondo. Le fessure possono essere placcate o meno. Gli slot a volte vengono aggiunti alla tavola di circuito stampato perché richiedono un tempo di ritaglio extra della lavorazione che viene effettuato successivamente (Figura 28).

Figura 28 – Fessurazione creata su PCB

Flussante o pasta di saldatura

Piccole sfere di saldatura sospese in un gel che, con l'aiuto di uno stencil, vengono applicate ai pad di montaggio dei componenti SMT o through hole su un PCB prima che gli stessi vengano posizionati. Durante il processo di “reflow”, la saldatura nella pasta si scioglie, creando giunti elettrici e meccanici tra i pad e i componenti (Figura 29).

Figura 29 – Flussante o pasta di saldatura su PCB

Forno di saldatura o saldatrice ad onda

Tra i metodi di saldatura automatica la “saldatura a onda” è certamente il più diffuso ad uso industriale e consiste nel pompare attraverso un apposito ugello la lega saldante che viene fusa (Figura 30 da https://www.packtronic.it/prodotto/ersa-powerflow/). 

Figura 30 – Macchina saldatrice ad onda della ERSA

Questa forma un’onda che investe la piastra del PCB da saldare posta su un convogliatore rettilineo. Sperimentalmente su un campione, viene impostato il tempo di contatto della superficie della piastra con l’onda e la temperatura di fusione ottimale della lega saldante. Tale tempo dipende dalla velocità di scorrimento della piastra sul convogliatore. Il contatto dura pochi secondi. Una parte della lega che non viene utilizzata per effettuare la giunzione ricade in un apposito pozzetto predisposto nella macchina.

Sono tre i parametri da tenere conto per ottenere una buona qualità nel processo di saldatura automatica con una macchina ad onda:

• la forma dell’onda;
• la durata del contatto tra la piastra e l’onda che la investe;
• la superficie della piastra PCB interessata, istante per istante.

Prima di eseguire la saldatura, viene condotta dalla macchina una operazione di “flussatura” della piastra PCB, ovvero viene applicato un flussante (visto in precedenza) che permette di ottenere una saldatura ottimale. Successivamente la piastra viene preriscaldata al fine di attivare questo flussante in maniera da disossidare le piste del PCB interessate al processo di saldatura ed evitando al contempo lo sbalzo termico che questo processo produce. In questa maniera si evita il danneggiamento sia della scheda, che del suo supporto. Questo processo di preriscaldamento sul lato del circuito stampato in cui si deve eseguire la saldatura, viene effettuato in due modi:

• per “irraggiamento” (riscaldamento diretto della piastra con apposite resistenze o lampade);
• per “convezione” (attraverso un getto di aria calda).

Di seguito riporto un disegno schematico del processo di saldatura che avviene all’interno di una macchina saldatrice ad onda (Figura 31).

Figura 31 – Processo di saldatura ad onda

A - Linea di riferimento orizzontale.

B - Zona di preriscaldamento della scheda PCB.

C - Area di contatto con la scheda PCB.

D - Area di uscita della saldatura ad onda.

E - Area di post riscaldamento.

F - Direzione dello spostamento della scheda PCB.

G - Placca frontale regolabile di canalizzazione della lega saldante.

H - Canale di attraversamento della lega saldante sulla piastra PCB.

I - Crogiolo di lega saldante fusa.

L - Piastra PCB da saldare.

M - Placca posteriore regolabile di canalizzazione della lega saldante.

N - Pozzetto di ricaduta della lega saldante fusa.

Al fine di evitare che l’onda della lega fusa crei cortocircuiti cioè connessioni indesiderate, sulla parte di superficie della piastra PCB non interessata all’operazione di saldatura, viene depositata preventivamente una vernice epossidica protettiva chiamata “Solder resist” o “Solder mask” (che definirò di seguito) che il progettista di PCB prevede in fase di disegno al CAD. Per realizzare un PCB che poi va saldato con questa tecnica, bisogna tener conto di una serie di vincoli dimensionali che incidono anche sulla posizione dei componenti e sulle tracce di collegamento sulla scheda.

Questa tecnica di saldatura a onda, come dicevo, viene largamente utilizzata nell’industria grazie alla capacità di poter produrre un elevatissimo numero di saldature in breve tempo con l’impiego di pochissimo personale. Inoltre la produzione che ne risulta, permette di ottenere uno standard produttivo uniforme e di qualità.

Solder mask o Solder resist

È uno strato di materiale protettivo di vernice epossidica posato sulla superficie della piastra PCB non interessata all’operazione di saldatura, per prevenire cortocircuiti, corrosione e altri problemi. Spesso di colore verde, ma anche di altri colori come il rosso o il blu (Figura 32).

Figura 32 – Solder mask di un circuito stampato realizzato con ALTIUM Designer ®.

Solder jumper

Una piccola area di saldatura che collega due pin adiacenti di un circuito stampato. A seconda del progetto, un ponticello a saldare può essere usato per collegare due pad o due pin insieme (Figura 33).

Figura 33 – Solder jumper realizzati con ALTIUM Designer ®.

Tecnologia a montaggio superficiale (SMT)

Questa tecnologia chiamata a “Montaggio superficiale” o SMT (Surface Mount Technology) è un metodo di costruzione che permette a particolari componenti (SMD cioè Surface Mounting Device) di essere semplicemente posizionati su una scheda, senza richiedere che i reofori passino attraverso fori praticati sulla scheda stessa. Oggi questo è il metodo di montaggio dominante, e permette di popolare le schede in modo semplice e veloce e soprattutto di ridurne le dimensioni (Figura 34).

Figura 34 – PCB con componenti SMD montati in tecnologia SMT.

Pad termico

Una piccola area creata attorno ad una piazzola, “PAD”, usata per collegarla ad un piano del PCB. Se un pad non è “termicamente alleggerito”, diventa difficile portare il pad ad una temperatura abbastanza alta da creare un buon giunto di saldatura, richiedendo più tempo e rischiando di staccare il pad stesso dalla piastra (Figura 35).

Figura 35 – PAD termico opportunamente “alleggerito”.

Traccia (Trace)

Un percorso continuo di rame su un circuito stampato (Figura 36).

Figura 36 – Disegno di tracce con ALTIUM Designer ®.

V-score

Un taglio parziale attraverso una tavola di un PCB, che permette di spezzare facilmente la tavola lungo una linea (si vedano Figura 15 e 16 precedenti).

Via

Un foro in una tavola usato per passare un segnale da uno strato all'altro del PCB. Le vias sono generalmente coperte da solder mask per proteggerle dalla saldatura. Le vias in cui i connettori e i componenti devono essere attaccati sono spesso non rivestite (scoperte) in modo da poter essere facilmente saldate (Figura 37 da https://www.altium.com/documentation/altium-designer/pcb-obj-viavia-ad?version=18.1 ).

Figura 37 – Vari tipi di vias su vari strati di PCB.

PROGETTARE IN CASA IL PROPRIO PCB

Finora ho descritto procedure, tecniche e terminologie utilizzate in ambito industriale per la produzione di un circuito stampato, ma è possibile produrre un PCB anche per uso hobbistico o per piccole serie. L’argomento richiederebbe un approfondimento che esula dallo scopo di questo articolo, e forse lo tratterò in seguito, ma voglio comunque darvi qualche suggerimento utile, analizzando i pro e i contro della progettazione di PCB in casa utili ad aspiranti Maker o a progettisti già navigati. 

Innanzitutto dovete trovare un software CAD! Oggi navigando sulla rete è possibile trovare diverse soluzioni spesso anche gratuite, ma cosa si deve considerare nella scelta di un software CAD? La prima cosa è che vi sia una comunità di utilizzatori di quello specifico software, in modo da essere supportati dalla comunità attraverso ad esempio un blog, piuttosto che da un forum o un social. Più persone lo usano, più è probabile che si trovino librerie già pronte con le parti di cui si ha bisogno.

Altra cosa importante è la facilità d'uso: se il software richiede un tempo di apprendimento lungo, sarà più difficile utilizzarlo nel breve periodo ottenendo risultati soddisfacenti.

Potenzialità del software. Alcuni programmi pongono dei limiti al vostro progetto: numero di livelli, numero di componenti, dimensioni della scheda, ecc. La maggior parte di essi consente però di pagare una piccola licenza per aggiornare le loro capacità.

Portabilità. Alcuni programmi gratuiti non consentono di esportare o convertire i vostri progetti, bloccandovi nella realizzazione ad un unico fornitore.

Pratica costante. Se usate un CAD ogni tanto sarà come usarlo la prima volta ad ogni nuovo progetto. Fare pratica costante è fondamentale come saper suonare uno strumento musicale.

Lo schema elettrico. Cercare di progettare una tavola senza un buon schema elettrico non produce risultati funzionanti al primo colpo. Cercate di simulare il funzionamento, alcuni software hanno questa possibilità che vi permette di fare un debug del circuito ancora prima di realizzarlo.

Infine, qualche parola sull'utilità di progettare i propri circuiti stampati. Se si prevede di realizzarne uno o al più una coppia di un dato progetto, i circuiti con cablaggio punto a punto su una scheda prototipale tipo “mille fori” (Figura 5) possono risultare difficili da cablare se il circuito è molto complesso, e tendono ad essere meno robusti delle schede progettate ad hoc. Inoltre vendere il proprio progetto con questa fattura si rivela essere poco professionale, vista la poca affidabilità che potrebbe andare in contro.

Se proprio non volete creare un “laboratorio chimico” o di “carpenteria meccanica” nella vostra casa, potete sempre ricorrere per la realizzazione dei vostri prototipi PCB a qualche servizio online. Ne trovate molti sulla rete!