Le 5 Regole Principali per la Progettazione di PCB Digitali

La tecnologia dei PCB digitali ha compiuto enormi progressi nel campo dell'elettronica, soddisfacendo la domanda del mercato per dispositivi e gadget elettronici sempre più veloci, piccoli ed economici. I PCB digitali includono microprocessori e altri circuiti elettronici in grado di gestire migliaia di operazioni al secondo. Rispetto ai circuiti stampati analogici, i PCB digitali presentano alcune differenze sostanziali, come un migliore adattamento dell'impedenza e un migliore controllo della perdita di inserzione nelle linee di trasmissione.

Fonte: ak.picdn.net

È molto importante che i PCB digitali siano progettati e ingegnerizzati accuratamente, al fine di eliminare possibili problemi come impedenza non uniforme nelle linee di trasmissione, imperfezioni nella placcatura dei fori di interconnessione passanti e altri problemi relativi all'integrità del segnale. I PCB digitali presentano una serie di caratteristiche che offrono importanti vantaggi durante il funzionamento del circuito elettronico. Le principali caratteristiche sono le seguenti:

• Elevato numero di layer;
• Tolleranze ridotte sulle dimensioni;
• Mancanza di stub;
• Elevata densità di componenti;
• Struttura complessa dello stack-up e altro ancora.
  

Differenze tra PCB Analogici e Digitali

Esistono diverse somiglianze, ma anche differenze, tra il routing di un PCB analogico e quello di un PCB digitale, riguardanti ad esempio i condensatori di bypass, le linee di alimentazione, la progettazione dei piani di massa, la protezione dalle variazioni di tensione e dalle interferenze elettromagnetiche (EMI) e altro ancora.

Fig 1:-Segnali Analogici e Digitali

Fonte- Proto-Electronics

I circuiti analogici includono amplificatori operazionali, resistenze, condensatori e altri tipi di componenti elettronici. Le combinazioni di questi componenti elettronici possono variare significativamente da un circuito analogico a un altro. Le due principali applicazioni dei circuiti analogici sono le seguenti:

1. Filtraggio dei segnali: in presenza di segnali continui, i filtri analogici consentono di eliminare dal circuito tutte le frequenze indesiderate. Rispetto a un filtro digitale, il filtraggio di tipo analogico è molto più semplice e meno costoso.

2. Sensori: la conversione dei dati provenienti dal mondo reale in informazioni gestibili da un sistema embedded o da un computer, viene eseguita attraverso l’utilizzo dei sensori. Se le informazioni non sono disponibili, i sensori possono creare un segnale analogico e convertirlo in un segnale digitale. I segnali provenienti dai sensori hanno in genere un’ampiezza ridotta e richiedono un condizionamento del segnale per aumentarne la qualità. Ciò consente di sfruttare l’intero range di valori disponibili su un ADC, cosa non possibile nel caso di segnali ad elevata tensione.

Per contro, i circuiti digitali sono formati da una combinazione di componenti logici e sequenziali basati su porte logiche che operano su segnali digitali. Rispetto ai circuiti analogici, i sistemi digitali utilizzano una logica basata su zeri e uni per rappresentare i dati in formato digitale su un singolo IC.

Criteri per la selezione dei materiali nei PCB digitali

Quando si selezionano i materiali adatti ai PCB digitali, occorre prendere in considerazione una serie di fattori. Alcuni di questi sono elencati di seguito: 

1. Stabilità delle tolleranze dimensionali: i PCB digitali devono essere fabbricati con materiali in grado di fornire un’eccellente stabilità meccanica (anche quando vengono sottoposti a cicli termici ripetitivi) e un’ottima tolleranza a vibrazioni, urti e sovratensioni elettriche.

2. Migliore gestione termica: i materiali utilizzati devono possedere eccellenti proprietà di trasferimento e dissipazione del calore, devono assicurare che i layer del PCB non subiscano alterazioni, deterioramenti delle lamine, oppure comincino a spelarsi alle alte frequenze.

3. Migliori prestazioni del segnale: durante il funzionamento del circuito, le prestazioni del segnale devono mantenersi costanti in ogni parte del PCB, con perdite di segnale minime anche in presenza di variazioni significative della frequenza di trasmissione del segnale. I progettisti devono assicurarsi che i materiali selezionati abbiano un basso fattore di perdita dielettrica (Df), in modo tale da ridurre al minimo le perdite.

4. Stretto controllo di impedenza: i PCB digitali richiedono uno stretto controllo dell’impedenza in quanto devono garantire la stabilità della costante dielettrica (Dk) durante il funzionamento con elevate velocità di trasmissione del segnale.

5. Resistenza all’umidità e agli agenti chimici: i materiali che offrono un basso fattore di assorbimento dell’umidità e degli agenti chimici sono preferibili, in quanto riducono al minimo le variazioni delle prestazioni elettriche del PCB.

Materiali per PCB digitali

La base di un'antenna integrata nel PCB è composta da un substrato e da un laminato, che insieme determinano le prestazioni del circuito stampato. Funzionalità, durata e costo sono fattori prioritari durante la progettazione di un PCB, ed è pertanto essenziale selezionare il tipo corretto di materiale. I tipi di materiali presi in considerazione durante la progettazione di un PCB possono avere un effetto, sia a breve, sia a lungo termine, sulle sue prestazioni. Il prezzo di un materiale per PCB è direttamente proporzionale alle prestazioni richieste dal circuito stampato. Quando per un PCB non sono richieste elevate prestazioni, si può prendere in considerazione un materiale come il poliestere leggero, in grado di offrire costi ridotti ed elevata versatilità.

Nella scelta dei materiali, la temperatura è un parametro importante da prendere in considerazione. Il materiale dovrebbe offrire una resistenza al calore maggiore del calore prodotto, evitando che il calore in eccesso possa danneggiare il circuito. Il valore di Tg (temperatura di transizione vetrosa) indica quando il PCB comincia a perdere rigidità e capacità di funzionare correttamente. Il valore di Tg del materiale deve inoltre essere adatto al processo di assemblaggio utilizzato; per l'assemblaggio senza piombo è preferibile un valore minimo di Tg pari a 170°C. Per PCB ad elevate prestazioni, Tg dovrebbe avere un valore superiore a 170°C, mentre per PCB standard è sufficiente un valore di Tg pari a 130°C. Il vantaggio di avere una Tg alta è che il materiale offre una maggiore resistenza agli agenti chimici e all'umidità.

I materiali comunemente utilizzati per realizzare i substrati di un PCB digitale sono diversi ed includono FR-4, G-10 e PTFE. I laminati sono invece basati su composti come CTE, PTFE, CEM e altri ancora.

• FR-4: FR è l’acronimo di “Flame Retardant”, un materiale ampiamente utilizzato nei normali circuiti. FR-4 offre due punti Tg: il primo a 135°C e il secondo nell’intervallo compreso tra 150°C e 210°C, applicabile ai circuiti ad elevata densità di componenti.

• G-10: si tratta di un laminato in fibra di vetro ad alta pressione. G-10 e FR-4 sono anche utilizzati come materiali isolanti nelle applicazioni elettriche ed elettroniche.

• PFTE (Politetrafluoroetilene): PFTE rappresenta un’ottima scelta nei circuiti ad elevata potenza e alta frequenza, grazie alla disponibilità di valori di Tg pari a 160°C e 280°C.

• CEM-1, CEM-2, e CEM-3: questi materiali sono particolarmente adatti alle applicazioni ad elevata densità di potenza. I valori di Tg offerti da CEM-1, CEM-2, e CEM-3 sono pari, rispettivamente, a 122°C, 125°C e 125°C. 

• Poliammide – Utilizzato come substrato, questo materiale offre una Tg pari a 250°C o superiore ed è pertanto adatto ai circuiti ad elevata potenza. Per i circuiti stampati flessibili, i substrati di poliammide sono preferibili, in quanto i substrati di FR-4 sono troppo rigidi. I substrati di poliammide sono leggermente più costosi rispetto a quelli di FR-4, ma offrono una resistenza maggiore alla temperatura.

 Regole per la progettazione dei PCB digitali

La maggior parte degli strumenti software per la progettazione dei PCB ha la capacità di trasferire le regole dallo schema al layout. Ciò consente allo schema di guidare le regole di progettazione, invece di dover inserire tutti i vincoli legati al layout, un vantaggio enorme per i progettisti. Questo livello di organizzazione consente ai progettisti di creare regole per il posizionamento di reti e componenti specifici che sono essenziali per la progettazione dei circuiti. Le reti e le classi di reti consentono di raggruppare assieme reti simili, assegnando loro un insieme di regole. Poiché le regole relative alle reti sono già presenti nel database, il progettista non deve fare affidamento su istruzioni esplicite. Per garantire che il circuito stampato sia stato progettato in modo accurato, occorre seguire le seguenti regole:

1. Valori di default – I tool di progettazione software utilizzano spesso dei valori di default che derivano da impostazioni generiche predefinite, oppure valori desunti da precedenti progetti. Il progettista deve confermare l’utilizzo di questi valori di default prima di applicarli, evitando che a seguito del routing vengano generate tracce con ampiezza non corretta, o la distanza tra i componenti sia troppo ridotta. Al fine di evitare questi problemi, i valori di default possono essere resettati agendo sulle impostazioni del progetto.

2. Classi – anche se la maggior parte delle regole può essere configurata per agire sulle single reti o sui singoli componenti, questo processo può richiedere un tempo eccessivo quando esistono centinaia di oggetti che richiedono regole e vincoli particolari. Alcuni tool di progettazione forniscono un meccanismo per installare classi di reti e di componenti, semplificando la configurazione di regole e vincoli. 

Fig 2:- Installazione di classi

Fonte- Circuitstudio

Ad esempio, la larghezza delle tracce e i requisiti di spaziatura minima possono essere configurati per un particolare valore di reti; il progettista può creare una serie di regole per una classe di potenza e aggiungerla alle reti.

3. Regole di progettazione: Quando si tratta di progettare circuiti digitali ad alta velocità, è possibile impostare la lunghezza di tracce specifiche e determinare la corretta lunghezza delle tracce adiacenti, migliorando la stabilità delle linee di trasmissione dei dati. Nell’instradamento delle tracce, è possibile impostare coppie di segnali differenziali creando topologie di tracce uniche per specifiche caratteristiche della rete. Per garantire il controllo dell'impedenza, la larghezza delle tracce piò essere impostata automaticamente e le dimensioni dei via possono essere assegnate alle classi di reti.

Fig 3:- Progettazione delle tracce

Fonte - PCBDesignworld

4. Selezione della corretta spaziatura sul PCB: la selezione della corretta spaziatura tra i componenti e le tracce presenti sul PCB contribuisce a migliorare le prestazioni elettriche e consente di ottenere un risparmio sia sui costi, sia sulle rilavorazioni del circuito. Un aspect ratio ideale di 6:1 per i fori di via consente di evitare possibili problemi durante la fabbricazione del PCB e facilita l’operazione di foratura. 

Fig 4:- Spaziatura tra i componenti 

Fonte- Optimumdesign

Inoltre, durante la progettazione del PCB, lo schema del circuito e i componenti utilizzati devono essere inseriti in un opportuno software CAD che consenta di eseguire simulazioni accurate prima di lanciare la produzione di massa del circuito.

5. Protezione contro le scariche elettrostatiche: i PCB digitali sono molto sensibili alle scariche elettrostatiche che possono verificarsi durante il funzionamento di componenti allo stato solido come circuiti integrati (IC), batterie, ecc. Se non gestiti correttamente, gli effetti prodotti dalle cariche elettrostatiche possono generare dei malfunzionamenti, o persino l’esplosione del circuito. I progettisti di PCB devono pertanto utilizzare dei sistemi di protezione ESD come varistori in ossido di metallo, diodi soppressori dei transitori di tensione, soppressori basati su polimeri, evitando i possibili problemi creati dalle scariche elettrostatiche.

Conclusioni

Durante la progettazione di un PCB digitale, è necessario prestare la massima attenzione durante tutte le fasi dello sviluppo per garantire che il circuito, così come il PCB, possano funzionare al massimo delle proprie potenzialità. Esistono diversi fattori da prendere in considerazione durante la selezione dei materiali adatti a un PCB digitale. I materiali selezionati devono avere stabilità dimensionale, elevato controllo della gestione termica, resistenza all'umidità e agli agenti chimici, consentendo al segnale di passare attraverso il PCB in modo fluido e senza interruzioni. FR-4 è uno dei materiali più adatti per la progettazione dei PCB digitali, grazie alla sua elevata rigidità dielettrica e alla superiore integrità del segnale.

Prima di iniziare la produzione in serie, è importante che i progettisti simulino i componenti elettronici e il loro funzionamento sul PCB, verificando che le simulazioni creino i risultati attesi. Per i circuiti digitali ad alta velocità, il corretto dimensionamento della lunghezza delle tracce è essenziale, in quanto migliora la stabilità e la trasmissione dei segnali. La spaziatura tra i componenti deve essere stabilita in modo accurato, mantenendo una distanza minima per evitare interferenze di segnale. Un aspect ratio di 6:1 per i fori di via semplifica il processo di produzione, in particolare le fasi di perforazione, cablaggio e saldatura. La tecnica migliore per evitare le scariche elettrostatiche e i suoi possibili effetti sul PCB consiste nell'utilizzare dei sistemi di protezione come varistori in ossido di metallo, diodi soppressori dei transitori di tensione, soppressori basati sui polimeri e altro ancora.

22.06.2022