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:
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:
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.
Quando si selezionano i materiali adatti ai PCB digitali, occorre prendere in considerazione una serie di fattori. Alcuni di questi sono elencati di seguito:
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.
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:
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.
Fig 3:- Progettazione delle tracce
Fonte - PCBDesignworld
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.
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