Il PCB footprint definisce l'interfaccia fisica tra ogni componente elettronico e il circuito stampato, fornendo informazioni indispensabili per le fasi di assemblaggio e manutenzione del PCB, quali sagoma e simbolo del componente, numero e posizione dei pad, pin di riferimento, polarizzazione e altro ancora.
Ogni componente posizionato sulle facce di un circuito stampato dovrà quindi avere un proprio footprint, che include l'area di rame sul circuito stampato a cui verrà saldato il componente. Ad esempio, un footprint SSOP a 16 pin includerà due file di otto pad rettangolari. I footprint includono diverse informazioni come il layout del rame, il layout della maschera di saldatura, la serigrafia, i fori di montaggio (ove applicabili) e il pin di riferimento.
In Figura 1 è visibile il footprint relativo a un generico componente elettronico con package SSOP a 16 pin. Le parti colorate di rosso corrispondono alle zone di rame sul layer, mentre gli altri colori rappresentano i layer di tipo meccanico.
Figura 1: Esempio di footprint SSOP 16 pin (con annotazioni)
Poiché footprint errati possono rallentare o addirittura arrestare il processo di produzione di una scheda, è necessario che i footprint siano disposti in modo da rispettare i vincoli esistenti con gli altri componenti presenti sul PCB. I PCB footprint fanno infatti parte dei file inviati dal progettista all’azienda che si occuperà della produzione della scheda.
I componenti sono l’elemento più importante di ogni scheda elettronica e i pad ad essi associati definiscono i punti di connessione con i layer del PCB. Se il layout dei pad non è in grado di identificare con precisione e sicurezza la posizione dei componenti, il PCB non può essere assemblato. È quindi essenziale che i pad siano allineati con gli altri elementi che compongono il PCB, come tracce e fori; in caso contrario, la scheda potrebbe non funzionare correttamente o danneggiarsi.
È importante sottolineare come ogni componente saldato sul circuito stampato, sia esso un componente a foro passante, una resistenza o condensatore a montaggio superficiale, oppure un ball grid array (BGA), richieda sempre la presenza di un footprint.
Diventa pertanto importante creare il PCB footprint seguendo regole e standard rigorosi, evitando possibili problemi di saldatura durante l’assemblaggio, o un’incorretta spaziatura tra i componenti. Alcune tra le più importanti cose da sapere sui PCB footprint verranno presentate nei prossimi paragrafi.
Ogni PCB footprint contiene i seguenti elementi:
Posizione dei pad o dei fori. Questa informazione indica dove si trovano i pad per l’assemblaggio dei componenti SMD, oppure i fori per il fissaggio dei componenti a foro passante. Tali informazioni sono utilizzate durante la saldatura e devono essere definite con precisione;
Contorno, o courtyard, del componente. Si può definire come un'area, o perimetro, di protezione per il PCB footprint. Ciò impedisce che altri componenti possano essere posizionati all'interno di questa area. Questo contorno delimita l'intero corpo del componente ed è il layer principale responsabile della definizione della forma del componente;
Designatore di riferimento. Si tratta di un codice alfanumerico che identifica in modo univoco il componente all’interno dello schema e del layout del PCB. In Figura 2 sono evidenziati alcuni designatori di riferimento, come la resistenza R75 e il led LD3;
Designatore del Pin 1. Quando occorre posizionare componenti con numero elevato di pin, come i circuiti integrati, è importante indicare nel footprint la posizione del pin 1, in modo da evitare possibili fraintendimenti durante la fase di assemblaggio. Ciò può avvenire, ad esempio, con i componenti con package QFP e DIP. Nell’esempio di Figura 1, il riferimento al pin 1 è rappresentato da un cerchio;
Informazioni meccaniche. Alcuni componenti possono avere qualche parte meccanica, oppure una sporgenza che potrebbe estendersi sopra altri componenti, creando possibili collisioni o sovrapposizioni tra i componenti. Ciò i verifica, ad esempio, con i dissipatori di calore;
Modello 3D e simboli. Ogni PCB footprint ha associato un corrispondente simbolo nello schematico e, nella maggior parte dei casi, ha anche associato un modello 3D. Ciò permette al progettista di creare un modello 3D della scheda, verificando il corretto posizionamento e le distanze reciproche tra i componenti.
Figura 2: Un PCB con evidenziati alcuni componenti dei footprint
In Figura 3 è visibile un PCB completo, relativo a un progetto open-source che include componenti SMD ad elevata integrazione (FPGA). Si osservi come il footprint di tutti questi componenti, oltre alla disposizione dei pad e alla relativa spaziatura, includa un pallino (oppure un cerchio) per identificare il pin 1. Si osservi inoltre come, nel caso dell’oscillatore X1, sia presente anche il simbolo del componente.
Figura 3: PCB senza componenti con evidenziati i footprint
Anche per i progettisti di PCB più appassionati, la creazione di una libreria di componenti è vista come un’operazione da eseguire solo se strettamente necessaria. La stessa considerazione può essere applicata alle librerie di footprint, la cui preparazione richiede una quantità di tempo significativa e può essere fonte di potenziali errori. In generale, quindi, è sempre preferibile cercare i PCB footprint nei database di librerie. Queste librerie sono rese disponibili dalle società che sviluppano i software di progettazione PCB, dai produttori di componenti, o da terze parti.
Tra le diverse librerie di footprint disponibili online, le più popolari sono Ultra Librarian [1] e SnapEDA [2]. Ultra Librarian, in particolare, è considerata la più grande libreria CAD PCB del mondo, i cui dati possono essere importati nelle applicazioni di CAD PCB più diffuse.
Mentre la creazione di un PCB footprint richiede disponibilità di tempo e di risorse da parte del team di sviluppo, queste librerie online consentono di accedere rapidamente alle informazioni richieste, riducendo il time to market della scheda ed eliminando possibili errori umani durante la creazione delle librerie.
Oggi, tuttavia, i produttori mettono a disposizione dei progettisti, per ogni componente a catalogo, il modello di simulazione, il modelli 3D, il footprint e altro ancora.
Se un determinato footprint non è disponibile in nessuna libreria, al progettista non resta altra alternativa se non quella di creare un footprint personalizzato e aggiungerlo alla propria libreria.
Nel caso si decidesse di creare un footprint partendo da zero, occorre anzitutto assicurarsi di avere a disposizione le specifiche corrette per il componente in oggetto. In genere è preferibile partire inserendo le informazioni relative ai pad, definendo successivamente il contorno del corpo del componente e la larghezza massima. Infine, aggiungere il designatore di riferimento, il designatore del pin 1 e gli altri attributi di tipo meccanico.
A volte, può capitare che un footprint sia creato in modo incompleto, generando dei possibili problemi durante la fase di definizione del layout del PCB. Ad esempio, se lo specifico strumento CAD per PCB utilizzato dal progettista richiede di inserire un attributo relativo all'altezza del componente, è bene non tralasciarlo. Ciò consente di evitare possibili problemi meccanici (progettazione del contenitore della scheda) o di dissipazione del calore (componenti che ostruiscono il regolare flusso dell’aria).
Anche per i PCB footprint esistono degli standard specifici applicabili a livello internazionale che definiscono il footprint, il simbolo schematico e il modello 3D.
Lo standard IPC 7351 (in particolare, la versione IPC-SM-7351-B) definisce in modo rigoroso, tramite una serie di formule, le dimensioni del pad attorno a un componente elettronico. Molti strumenti CAD PCB sono stati progettati per essere conformi a questo standard e, pertanto, eseguiranno i calcoli richiesti in modo automatico.
Questo standard definisce una lista di simboli grafici e una serie di lettere di designazione di classi da utilizzarsi negli schemi elettrici ed elettronici. Alcuni strumenti CAD PCB consentono al progettista di decidere se i simboli debbano essere conformi a questo standard oppure no, mentre altri lo fanno di default.
Lo standard ISO 10303-21 definisce il formato dei file utilizzati per i modelli STEP importabili nei software CAD 3D.
Nel caso si decidesse di creare i footprint partendo da zero, possono essere utili le seguenti linee guida che consentono di evitare possibili problemi durante la fase di assemblaggio della scheda:
Assicurarsi che il layout del pad del componente sia simmetrico. Ciò evita il verificarsi del tombstone, cioè il distacco parziale del componente a causa di differenti sollecitazioni sui due lati del componente;
Per lo stesso motivo, assicurarsi che i pad opposti di un componente abbiano la stessa dimensione e forma;
Accertarsi che vi sia sufficiente spazio libero tra i pad del footprint e i bordi della scheda. Ciò consente di gestire correttamente il montaggio con le macchine automatiche pick and place ed evita problemi con la pannelizzazione della scheda;
Includere l’indicatore del pin 1 per tutti i componenti che lo richiedono. Ciò assicura che i pin dei componenti siano collegati ai pad corretti;
Includere gli indicatori di polarità per tutti i componenti polarizzati, come diodi e condensatori elettrolitici o al tantalio;
Includere il contorno dei componenti, al fine di garantire un assemblaggio corretto;
Accertarsi che i pad abbiano sempre la dimensione corretta: pad di dimensione troppo piccola possono essere soggetti a rotture, mentre pad troppo grandi possono sottrarre spazio prezioso alle tracce o favorire lo spostamento dei componenti SMD durante la saldatura;
Assicurarsi che i pad siano correttamente distanziati tra loro;
Evitare contorni dei componenti troppo piccoli, in quanto potrebbero non essere riconosciuti durante l’assemblaggio eseguito utilizzando linee di produzione automatizzate.
Da quanto detto appare evidente come sia estremamente importante che i parametri che definiscono il footprint di un componente siano corretti ed accurati. Qualora ciò non avvenisse, potrebbe essere necessario riprogettare il circuito stampato, con conseguenti perdite di tempo e costi addizionali.
In Figura 4 è visibile un esempio di PCB footprint corretto. Il layer giallo contiene la serigrafia e il riferimento per il pin 1. Il layer rosso contiene la definizione dei pad, il layer viola la definizione degli ingombri meccanici, mentre il layer verde contiene la definizione del courtyard.
Figura 4: Esempio di footprint con diversi layer informativi (Fonte: Ultra Librarian)
[1] https://www.ultralibrarian.com/