Nel corso degli anni, il layout dei circuiti stampati è diventato sempre più complesso, con una densità crescente di componenti. La complessità è determinata da un lato dalla domanda del mercato per funzionalità sempre più ricche e avanzate, dall’altro dall’esigenza di realizzare PCB di dimensioni ultraridotte come richiesto dai dispositivi di ultima generazione. L’aumento delle frequenze operative dei segnali richiede elevata precisione nel layout al fine di evitare problemi di integrità della potenza e del segnale, riducendo al minimo la possibilità di generare interferenze elettromagnetiche e migliorando la dissipazione del calore.
Il corretto posizionamento sul PCB dei componenti è fondamentale, in quanto evita il sorgere di problemi in grado di compromettere la producibilità, funzionalità, durata e manutenzione del PCB. Ad esempio, posizionare componenti analogici e digitali senza un'adeguata separazione porta a una compromissione quasi certa del segnale analogico. Non deve quindi stupire se la fase di posizionamento dei componenti richieda in generale uno sforzo maggiore rispetto a quella di routing.
Il posizionamento dei componenti è una delle primissime fasi della progettazione di un PCB e va affrontata con la massima cura al fine di evitare costose rilavorazioni e perdite di tempo. Di seguito vengono indicate le principali regole che aiutano il progettista a realizzare un posizionamento ottimale dei componenti.
I componenti che svolgono funzionalità simili dovrebbero essere raggruppati fra loro. Ad esempio, i power management IC (PMIC) dovrebbero essere raggruppati nella stessa sezione di gestione dell’alimentazione, insieme a convertitori, LDO e componenti simili che sviluppano una discreta quantità di calore e sviluppano correnti elevate. La sezione di alimentazione dovrebbe essere mantenuta separata dalle parti analogiche e digitali, soprattutto se utilizzano elevate frequenze di commutazione del segnale. Inoltre, i componenti che sviluppano rumore o radiazioni elettromagnetiche devono essere mantenuti lontani dai segnali più sensibili. Raggruppando i componenti in base alla propria funzione, consente anche di ottenere un migliore controllo del percorso di ritorno.
I circuiti integrati, indipendentemente dal loro footprint e dal numero di terminali, hanno un pin di riferimento (il pin 1). Al fine di razionalizzare il layout del PCB e semplificare la fase di assemblaggio, occorre assicurarsi che i circuiti integrati siano tutti allineati nella stessa direzione. Ciò aumenta l'efficienza del processo di assemblaggio e riduce gli errori di posizionamento. Più in generale, la regola comune è quella di orientare componenti simili (inclusi i passivi) nella stessa direzione, garantendo un processo di saldatura più efficiente e a prova di errori.
Il consiglio è quello di suddividere i componenti in righe e colonne (una sorta di matrice), orientandoli in modo uniforme per semplificare l’assemblaggio da parte delle macchine pick & place, l’ispezione e la manutenzione. Tutti i componenti polarizzati, come ad esempio i condensatori elettrolitici e al tantalio, o i diodi, dovrebbero essere orientati nella stessa direzione, indicando la polarità dei componenti sulla serigrafia. Una buona regola è quella di mantenere uno spazio di almeno 40mil tra i componenti e almeno 100mil tra ogni componente e il bordo del PCB.
Sul lato saldatura del PCB, evitare inoltre di posizionare i componenti nelle immediate vicinanze dei componenti con foro passante. Tutti i componenti a montaggio superficiale (SMT) dovrebbero essere posizionati sullo stesso lato della scheda, mentre tutti i componenti con foro passante andrebbero posizionati sul lato superiore del PCB per semplificare la fase di assemblaggio.
In Figura 1 è visibile un esempio di come componenti sia attivia, sia passivi siano stati orientati seguendo una logica e regole ben precise.
Figura 1: Esempio di orientamento corretto dei componenti sul PCB
Le zone del PCB che contengono componenti digitali, analogici, a radio frequenza (RF) o componenti di alimentazione dovrebbero essere mantenute separate tra loro.
La separazione delle zone funzionali differenti evita che si creino pericolose interferenze tra i segnali misti analogici e digitali, dando luogo a fenomeni di crosstalk che compromettono l’integrità del segnale. Il modo più semplice per impedire che tracce analogiche e digitali si sovrappongono è proprio quello di mantenere i componenti non omogenei in zone separate tra loro. La stessa regola deve essere applicata alle masse analogiche e digitali, che non devono confondersi.
Come criterio per la suddivisione, utilizzare sia la funzione del componente, sia i livelli di tensione e corrente utilizzati.
In Figura 2 è visibile un esempio di scheda ad elevata integrazione in cui i diversi componenti sono stati raggruppati e divisi in zone separate.
Figura 2: Esempio di separazione in zone dei componenti di un PCB
Nelle applicazioni in cui sono in gioco potenze elevate, MOSFET, IGBT, PMIC e regolatori di tensione sviluppano una discreta quantità di calore. Anche aggiungendo un numero sufficiente di via per favorire la dissipazione del calore, è sempre preferibile evitare di posizionare altri componenti vicino ai componenti di potenza. Un discorso analogo vale per gli amplificatori operazionali di potenza o per un qualunque altro dispositivo che emette calore.
I piani di massa dovrebbero sempre essere continui e non presentare alcun tipo di interruzione, in quanto ciò faciliterebbe l’insorgenza di problemi di integrità del segnale e dell’alimentazione.
Nel caso in cui non fosse possibile mantenere uniformità del piano di massa, occorre prestare la massima attenzione quando si posizionano componenti a cavallo delle interruzioni. Le linee di trasmissione dei segnali ad elevata velocità non dovrebbero ad esempio attraversare le discontinuità del piano di massa in quanto ciò causerebbe una interruzione del percorso di ritorno per quei segnali.
Oltre all’utilizzo di piani di massa continui, un’altra regola che aiuta a creare percorsi di ritorno sicuri e ben definiti è quella di evitare un numero eccessivo di via che potrebbero potenzialmente bloccare i percorsi di ritorno del segnale.
Se il piano di massa è stato posizionato in un layer intermedio, è consigliabile inserire anche un percorso a bassa impedenza per fornire un’adeguata protezione ai segnali di controllo e ridurre il rischio di interferenze.
I componenti che sicuramente vanno posizionati in prossimità dei bordi del PCB sono i connettori, soprattutto se richiedono un fissaggio a vite. Ciò evita il contatto indesiderato dei cavi con altri componenti sul PCB e semplifica le operazioni di assemblaggio e installazione della scheda.
Viceversa, occorre invece evitare di posizionare i dispositivi sensibili ad elevata velocità vicino ai bordi della scheda, i quali possiedono delle caratteristiche di impedenza differenti rispetto al resto della scheda ed offrono una maggiore probabilità di subire interferenze di tipo elettromagnetico.
La maggior parte dei problemi di posizionamento, riscontrati durante le fasi di assemblaggio o produzione delle schede, si verificano quando i componenti sono posizionati troppo vicino ai margini della scheda. Le apparecchiature per l’assemblaggio automatico delle schede elettroniche richiedono infatti delle distanze minime dei componenti dal bordo, che vanno rispettate durante la fase di progettazione del PCB. Per evitare di causare problemi alle macchine di pick-and-place, occorre mantenere uno spazio di almeno 50 mil tra i componenti e uno spazio di 100 mil tra ogni componente e il bordo della scheda.
La tendenza attuale dell'elettronica è quella di richiedere PCB con dimensioni sempre più compatte, un’esigenza che si riscontra soprattutto nel settore degli indossabili e dei dispositivi portatili. Esistono tuttavia dei limiti alla miniaturizzazione dei circuiti e una dimensione ottimale che occorre rispettare. In caso contrario, diventa pressoché impossibile eseguire il routing di tutte le tracce. Nella fase di posizionamento dei componenti, occorre pertanto assicurarsi di mantenere sul PCB uno spazio sufficiente per il passaggio delle tracce di rame, soprattutto in prossimità dei componenti con elevato numero di pin.
I circuiti stampati vengono assemblati utilizzando apparecchiature automatizzate che eseguono solitamente un processo di saldatura a onda per i componenti a foro passante e un processo di saldatura a rifusione per i componenti a montaggio superficiale. Entrambi questi processi presentano dei requisiti specifici di cui i progettisti di layout PCB devono essere a conoscenza per garantire la massima efficienza durante le fasi di assemblaggio e produzione delle schede.
Diventa quindi essenziale controllare il corretto posizionamento dei componenti al fine di evitare possibili interruzioni nella fase di produzione, semplificando allo stesso tempo il processo di assemblaggio del PCB. Il posizionamento dei componenti influisce sulle prestazioni del dispositivo sia a livello di integrità del segnale, sia a livello di immunità alle interferenze elettromagnetiche (EMI).
I componenti che gestiscono segnali ad elevata velocità devono essere raggruppati in una stessa zona del PCB ed essere collocati a breve distanza gli uni dagli altri, in modo tale da semplificare l’operazione di routing delle tracce. Le connessioni tra questi segnali devono essere realizzate con tracce brevi e rettilinee.
I componenti ad elevata velocità che assorbono molta corrente (come ad esempio, CPU, FPGA e GPU) richiedono inoltre dei condensatori di disaccoppiamento collegati ai rispettivi pin di alimentazione. Nelle schede digitali o in presenza di componenti con package BGA, il posizionamento di tali condensatori può risultare più complicato. Tuttavia, è assolutamente necessario che i condensatori di bypass siano posizionati il più vicino possibile ai pin VCC dei componenti attivi, al fine di evitare oscillazioni sui segnali di alimentazione e massa, risolvendo alla fonte possibili problemi di integrità dell'alimentazione.
In generale è buona norma lasciare uno spazio compreso tra 350 e 500 mil tra ogni circuito integrato posizionato sulla scheda. Nel caso di circuiti integrati di grandi dimensioni, occorre lasciare uno spazio maggiore.
In Figura 3 sono visibili dei condensatori di bypass poste nelle immediate vicinanze di circuiti integrati.
Figura 3: Esempio di condensatori di bypass
Nel posizionamento dei componenti occorre tenere in debita considerazione la quantità di calore generato durante il loro funzionamento. I componenti che sviluppano molto calore, come i processori, dovrebbero essere posizionati nella zona centrale del PCB, in modo tale da dissipare in modo uniforme il calore su tutta la scheda. Occorre inoltre prestare attenzione al percorso seguito dal flusso dell'aria, evitando che il raffreddamento dei componenti più caldi sia ostruito dalla presenza di componenti di dimensione maggiore. Inoltre, è consigliabile riservare sin dall’inizio uno spazio sufficiente per il posizionamento di eventuali dissipatori di calore o altri dispositivi atti a migliorare la dissipazione termica.
Seguendo le regole di posizionamento dei componenti precedentemente elencate, è possibile affrontare le fasi successive della progettazione di un PCB (a partire dal routing delle tracce) con maggiore tranquillità e sicurezza, consapevoli di avere evitato possibili problemi riscontrabili nella fase di assemblaggio o, ancora peggio, durante l’operatività del prodotto finale.
Nella fase di posizionamento dei componenti sul PCB, tenere presente che i più recenti strumenti di progettazione offrono numerose funzionalità integrate che potrebbero essere utili. Un buon layout di PCB inizio con un corretto posizionamento dei componenti, quindi non preoccupatevi se questa fase dello sviluppo richiederà un certo tempo, essendo uno degli aspetti più impegnativi del processo di progettazione di un PCB.
31/08/2022