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Progettazione PCB: dalla scelta dei materiali allo sbroglio del circuito

Resistenza termica, protezione da polvere e umidità, efficienza nella trasmissione dei segnali. La progettazione di schede elettroniche PCB (Printed Circuit Board) deve tenere conto di molteplici fattori, ognuno dei quali concorre alla qualità della scheda stessa e quindi alla sua affidabilità e durata nel tempo. Una corretta progettazione delle schede elettroniche è fondamentale per garantire un risultato finale all’altezza degli standard industriali e produttivi moderni. Ecco perché, a differenza di un tempo, le operazioni manuali si sono ridotte quasi a zero: al loro posto si sono affermati macchinari sempre più sofisticati, il cui compito è quello di effettuare saldature, fori e opportuni trattamenti.

A monte di tutto rimane però in primo piano il lavoro del progettista, la cui visione d’insieme gioca un ruolo tuttora cruciale. Il progettista, forte della propria esperienza e capacità analitica, ha l’onere di studiare le esigenze del cliente e agire di conseguenza per arrivare a una progettazione impeccabile. Sarà infatti il progettista a decidere:

– se lo schema ricevuto è idoneo allo sbroglio

– il numero di layer da utilizzare

– lo stackup del circuito da utilizzare in base ai bus ad alta velocità presenti

– le aree di dissipazione del calore e l’eventuale necessità di dissipatori

– gli isolamenti in base alle normative vigenti per il mercato di riferimento

Queste e altre variabili devono essere valutate di volta in volta con estrema attenzione già in fase di progettazione, così da passare ai successivi step di prototipazione, campionatura e produzione evitando spiacevoli sorprese e relativi contrattempi che potrebbero inficiare il lavoro (con ovvie ripercussioni su budget e deadline). Da questa premessa si evince che l’esperienza del progettista o dell’azienda incaricata della progettazione è imprescindibile per la realizzazione di schede elettroniche PCB conformi alle normative più recenti (come, fra le tante, la certificazione ISO 9001:2015). Ma quali sono i punti cruciali da considerare e affrontare per una progettazione a regola d’arte? Punto di partenza è senza dubbio lo sbroglio del circuito, nucleo intorno al quale si sviluppa tutto il lavoro successivo. Vediamo come funziona e in che cosa consiste.

BEST PRACTICE PER LO SBROGLIO DI CIRCUITI STAMPATI PCB

Uno degli errori più grossolani che si possono commettere nella progettazione di una scheda elettronica PCB è dare per scontato che lo schema prodotto dal cliente o da sub-fornitori per conto del cliente sia pronto così com’è per lo sbroglio. Capita piuttosto di frequente il contrario, ovvero che il file presenti errori più o meno gravi, dall’errata valutazione del pin-swapping al dimensionamento non corretto dei componenti di potenza e del percorso delle alimentazioni.

Ci sono poi due ulteriori elementi che suggeriscono l’importanza di una progettazione su misura in un contesto industriale moderno come quello in cui ci muoviamo. Essi sono il routing automatico e l’assenza di peer review.

1) routing automatico, un processo alternativo al routing manuale, scelto per lo più per schede elettroniche semplici, ma che può causare un eccesso di tracce e dunque un costo di produzione superiore.

2) assenza di peer review, e cioè di revisioni aggiuntive rispetto alla progettazione stessa. Anche il più bravo dei progettisti può commettere qualche sbaglio, motivo per cui nelle aziende con sistemi di qualità ISO 9001 come la nostra c’è sempre chi si occupa di peer rieview.

Bisogna quindi verificare il file Gerber fin nei minimi dettagli, o prevedere una precisa analisi dei requisiti e di conseguenza uno studio di fattibilità qualora il file venga prodotto internamente da zero. Senza questi ulteriori check, si rischia di avviare e portare avanti una progettazione superficiale, che alla fine del lavoro potrebbe diventare la causa principale di schede PCB difettose.

DALL’FR4 AL CEM-1: COME SCEGLIERE I MATERIALI

Progettazione schede PCB

Anche la scelta dei materiali che andranno a comporre il substrato della scheda elettronica (così come gli altri strati, a seconda della conformazione definitiva) deve tenere conto di quella che sarà la destinazione d’uso del circuito stampato. Alcuni materiali ad esempio resistono di più al calore e alle alte temperature, altri presentano una propensione a contrastare l’intensità di un campo elettrico maggiore o minore (quella che in gergo viene definita costante dialettrica). Se l’FR4 è il materiale più comune in commercio, il CEM-3 rappresenta anch’esso un ottimo materiale, in speciale modo per PCB a doppio strato.

Altre opzioni sono l’RCC, l’High frequency (PTFE) e il Polymide. Va da sé che non tutti i materiali hanno lo stesso costo, e non tutti sono reperibili allo stesso modo e con gli stessi tempi. Pertanto, al là delle caratteristiche tecniche intrinseche e delle performance raggiungibili da un materiale rispetto all’altro, bisogna comunque considerare il budget di spesa e rimanere entro questa soglia. Di nuovo, l’analisi di fattibilità consente di esaminare i vari scenari e pianificare una quotazione in linea con le necessità del cliente, senza ritrovarsi a dover rifare i conti o cambiare progetto in corso d’opera.

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LA GESTIONE TERMICA NELLA PROGETTAZIONE PCB

Assodato che i materiali sono decisivi per una buona riuscita della scheda elettronica, è imprescindibile sottolineare anche un altro aspetto della progettazione, quello che riguarda la gestione termica. Se in alcuni ambiti il controllo del calore è secondario, in altri, come l’automotive, questo presupposto diventa diventa essenziale. Pensiamo ad esempio a quello che succede a uncircuito stampato installato su motori e componenti soggette a surriscaldamento. In queste aree la temperatura può raggiungere e superare anche i 200 °C, mettendo a dura prova la tenuta delle schede. In ottica di sicurezza, è tassativo rispettare i cicli termici di test (Thermal Cycling Test), un range entro il quale si evitano guasti, malfunzionamenti e pericoli per l’utente finale, nell’automotive come anche in altri settori.

Da ricordare come il materiale non sia l’unico attore in gioco: a questo si aggiungono le caratteristiche del circuito, come la dimensione delle tracce, la loro lunghezza, la potenza sviluppata… l’aggiunta di piani in rame, l’inserimento di vias termici, o ancora l’ausilio di ventole di raffreddamento, dissipatori e cooler più avanzati, sono esempi di come sia possibile abbassare la temperatura ai massimi regimi o al superamento di una soglia critica prestabilita. In una prospettiva di qualità e sicurezza operativa, i cicli termici di test devono essere contemplati già durante la progettazione, con l’obiettivo di capire se c’è o non c’è bisogno di aumentare la capacità di raffreddamento, e fino a che punto spingersi con la gestione del calore in eccesso.

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